柔性机械臂集成建模与结构控制优化设计技术

摘要

相对于刚性机械臂而言，柔性机械臂具有高负载、低能耗、高速度、适于直接驱动等优点。如何将机械臂控制器和机械结构之间的耦合同时加以考虑，这是柔性机械臂研究中有待解决的问题。本文以柔性机械臂为研究对象，在整体优化目标下，建立了包括机械臂结构、传感器、控制器和驱动器等参数的系统集成数学模型，综合考虑柔性机械臂动力学特性与控制策略的作用，优化后的柔性机械臂为变截面梁，所设计的控制器不仅易于实施而且对系统参数的不确定性具有鲁棒性；并以单关节柔性臂的设计为例进行了仿真，结构与控制全局优化设计使系统在获得相同性能的条件下能减少机械臂的质量，从而减少能耗。
　　 全文的组织结构为：
　　 第一章，综述了柔性机械臂建模与控制的研究现状，分析了机械臂设计过程中结构系统或控制系统进行独立优化设计的不足，并在对相关理论和技术进行归纳的同时，阐述了本论文的研究背景、内容和意义。
　　 第二章，针对柔性机械臂，通过基于能量计算的变分法的推导，定义并且建立了柔性机械臂系统。给出了带有边界条件的动力学方程，在此基础上推导了柔性机械臂的模态行列式。
　　 第三章，讨论了柔性关节的分段模型，采用有限维数近似法对柔性机械臂进行集成建模，并通过综合机械臂的动力学特性和驱动器模型，推导出可变几何分布梁结构的状态空间方程，同时实例分析了状态空间模型。
　　 第四章，研究基于线性二次型调节器的柔性机械臂优化设计方法，提出将机械结构的设计与控制算法的设计有机的结合在一起，以结构优化为外循环，以LQR控制律的优化为内循环，设计了全局自适应优化算法。
　　 第五章，在第四章研究内容的基础上推导出广义装置的空间状态模型，为兼顾系统鲁棒性和抑制末端柔性振动性能，将结构形状分布和控制参数同时进行优化，设计了具有稳定闭环的H∞控制器，减少系统的不确定性和扰动所产生的各种影响。
　　 第六章，对第四章和第五章提出的设计方法进行了系统仿真与实验，给出了仿真实验实例并对结果进行了详细分析，并讨论了系统对参数变化和扰动的鲁棒性。
　　 第七章，总结了本文的主要研究内容和成果，并给出了今后有待进一步研究的工作与方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1绪论

1.1引言

1.2柔性机械臂建模理论的研究

1.2.1柔性机械臂动力学建模基本理论的发展

1.2.2柔性机械臂动力学方程的建立

1.3柔性机械臂控制方法的研究

1.3.1被动控制

1.3.2主动控制

1.4柔性机械臂全局优化设计方法的提出

1.4.1柔性机械臂研究存在的难点与不足

1.4.2柔性机械臂全局优化设计方法的提出

1.5论文的研究背景、内容和意义

1.5.1论文研究背景

1.5.2论文研究内容和意义

1.6本章小结

2柔性机械臂的动力学分析

2.1引言

2.2柔性机械臂的能量计算

2.2.1柔性机械臂的系统结构

2.2.2柔性机械臂的能量计算

2.2.3基于Hamiltonian原理的变分推导

2.3柔性机械臂的动力学方程

2.3.1柔性机械臂的动力学方程建立

2.3.2柔性机械臂的模态行列式

2.4固有频率与模态振形实例分析

2.5本章小结

3柔性机械臂的有限维集成建模

3.1引言

3.2柔性机械臂的集成模型

3.2.1柔性机械臂的有限维本体模型

3.2.2柔性机械臂的驱动器模型

3.2.3柔性机械臂的系统状态方程集成模型

3.3柔性机械臂的空间状态模型实例分析

3.4本章小结

4基于线性二次调节器的柔性机械臂全局设计优化算法

4.1引言

4.2线性二次型基本理论

4.2.1线性二次型性能泛函

4.2.2状态调节器问题

4.3基于线性二次调节器的机械臂结构控制设计优化算法

4.3.1柔性机械臂的全局设计优化方法

4.3.2内环优化算法

4.3.3外环优化算法

4.3.4综合优化算法

4.4柔性机械臂优化算法的系统仿真实例

4.5本章小结

5柔性机械臂结构控制一体的H∞控制系统优化设计

5.1引言

5.2 H∞控制问题的基本原理与设计方法

5.2.1 H∞优化设计的一般步骤

5.2.2 H∞控制的标准问题

5.2.3 H∞控制的灵敏度优化问题

5.2.4加权函数的选择和特点

5.3柔性机械臂H∞控制系统的优化设计

5.3.1柔性机械臂H∞控制系统的设计要求

5.3.2柔性机械臂H∞控制问题的空间状态方程

5.3.3柔性机械臂的H∞控制器设计

5.4柔性机械臂H∞控制的系统仿真

5.5本章小结

6柔性机械臂结构控制优化设计的仿真实验与鲁棒性分析

6.1引言

6.2柔性机械臂的结构模型与实验装置

6.3基于线性二次调节器的机械臂优化算法仿真实验与鲁棒性分析

6.3.1仿真实验与分析

6.3.2鲁棒性分析

6.4柔性机械臂的H∞控制系统仿真实验与鲁棒性分析

6.4.1仿真实验与分析

6.4.2鲁棒性分析

6.5本章小结

7总结与展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

作者简历

附录