基于压电作动器的柔性机械臂振动抑制及配置优化

摘要

长旋转臂在本质上是一类分布参数系统，其特征是在进行大范围旋转运动的同时，又与自身柔性结构产生的弹性变形相互耦合，因此亟需对系统的运动振动与弹性变形进行分析和建模，并在此基础上通过主动控制对系统振动和弹性变形进行抑制。本文以单连杆柔性机械臂为研究对象，考虑到压电材料在智能结构中可兼具传感功能与驱动功能，因此采用压电陶瓷材料作为系统的传感器和作动器。　　首先，采用了假设模态法对柔性机械臂的弹性变形进行了描述，并通过模态截断法和Lagrange法建立了柔性机械臂的动力学模型。通过仿真结果发现，在驱动电机停止作用后，柔性机械臂的弹性振动一直存在，因此从模态截断、阻尼、末端负载、风阻四个方面对柔性机械臂动力学特性进行了仿真分析，实验证明内部结构及外部干扰均会对柔性机械臂的弹性振动有一定的影响。　　其次，阐述了压电材料的基本特性，通过压电基本方程描述了压电材料的电行为与力行为的关系，并分析了压电材料的正逆压电效应的作用原理，将基于压电作动器的柔性机械臂动力学方程以状态空间的形式进行了描述。在模型的基础上，基于控制能量最小、传递能量最大、可控/可观性的复合优化配置准则，分别采用了非线性规划算法和带有精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II)对压电元件的位置进行了优化，并对比了一组和多组压电元件作用的情况下柔性机械臂的振动抑制效果。证明了在压电元件作用下，柔性机械臂弹性振动快速衰减，采用多组压电元件的系统模态振动稳定时间相较于一组压电元件的模态振动稳定时间更短，具有更好的控制效果。　　基于柔性机械臂动力学模型，可知柔性机械臂系统是由大范围的刚性旋转运动与小范围弹性振动组合而成，因此采用奇异摄动法对柔性机械臂系统进行分解，得到系统的双时间尺度模型。根据两个子系统的动力学特性，对于慢变子系统模型采用滑模控制理论进行轨迹跟踪控制器的设计，而对于快变子系统采用LQR进行振动抑制控制器的设计，得到双时间尺度组合控制器。分别在有压电元件和无压电元件的情况下对系统进行仿真分析，证明了两种情况都可以实现轨迹跟踪和振动抑制，但无压电元件作用下的系统初始阶段运动一直伴随着大幅值的弹性振动，且振动抑制达到稳定的时间更长，因此利用压电元件进行振动抑制，可以更加有效的快速的达到控制目的。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 柔性机械臂建模理论

1.2.2 压电智能结构的振动控制

1.2.3 压电作动器/传感器的配置优化

1.3 本文的主要研究目标和内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 论文组织结构

第2 章柔性机械臂动力学建模

2.1 引言

2.2 动力学模型描述

2.2.1 弹性变形描述

2.2.2 动力学模型建立

2.3 柔性机械臂动力学特性分析

2.3.1 模态分析

2.3.2 末端附加质量对动力学特性的影响

2.3.3 阻尼对动力学特性的影响

2.3.4 风阻对动力学特性的影响

2.4 本章小结

第3 章压电柔性机械臂配置优化

3.1 引言

3.2 压电柔性机械臂动力学建模

3.2.1 压电材料基本特性

3.2.2 模态分析

3.2.3 系统状态方程

3.3 压电作动器/传感器优化配置准则

3.4 基于非线性规划的柔性机械臂振动控制

3.4.1 非线性规划算法

3.4.2 优化仿真分析

3.5 基于NSGA-II的柔性机械臂振动控制

3.5.1 精英非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）

3.5.2 优化仿真分析

3.6 本章小结

第4 章基于奇异摄动分解的压电柔性机械臂振动控制

4.1 引言

4.2 奇异摄动分解

4.2.1 动力学模型分解

4.2.2 慢变子系统模型的建立

4.2.3 快变子系统模型的建立

4.3 系统控制器设计

4.3.1 慢变子系统滑模控制器设计

4.3.2 快变子系统LQR控制器设计

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

总结与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果