PID模糊控制融合的压电柔性机械臂振动主动控制研究

摘要

在航天、航空领域内，轻质高速运动的设备中，机构杆件必须进行轻型化和柔性化设计以满足减少能耗、降低重量和成本的要求，但是杆件的柔性化同时也带来的振动问题。因此研究如何抑制柔性机械臂的振动是非常必要，也是非常有意义的。 基于此背景，本课题以多柔性机械臂为研究对象，主要利用应变片作为传感器、压电陶瓷作为作动器，搭建了实验平台，采用PID模糊控制融合的方法抑制柔性机械臂的弹性振动。 首先，本文在综述智能材料的概念和分类之后，重点分析了压电陶瓷的基本特性及压电陶瓷的正、逆压电效应的基本原理，就压电作动器的最优布置问题进行讨论。 其次，本文分析了传统的数字PID控制和模糊控制的基本原理和两种控制方法的优缺点，相对于传统的增益调整型模糊PID串联控制和模糊PID双模并联控制，提出了PID模糊控制融合，利用模糊控制中的隶属函数来进行两种控制方法的融合。 用Visual c++编写了包含控制计算、数据记录及保存、数据接口、图形界面等重要模块在内的实验系统控制软件，搭建了基于PMAC运动控制卡、压电陶瓷、应变仪等装置的柔性悬臂梁、单柔性机械臂、两柔性机械臂的振动控制实验平台。 最后，通过实验装置，从实验上实现了柔性悬臂梁、单柔性机械臂、两柔性机械臂振动的主动控制。实验数据表明：PID模糊控制融合方法不仅具有不依赖柔性机械臂的动力学模型，算法简单，实时性好等优点，而且此方法响应快、具备良好的鲁棒性，对末端负载质量的变化表现出较好的适应性。 此种振动的主动控制方法具有修正设计方便，抑制低频振动效果显著，且不会影响柔性机械臂的灵活性与适应性的优点，并且为将来的柔性冗余度机械臂振动主动控制的实验研究和柔性机械臂的电机与PZT双重控制振动抑制及末端精确定位实验研究打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外相关研究现状及分析

1.2.1柔性机械臂制动抑制控制方法

1.2.2融合方法现状及发展

1.2.3柔性臂实验研究现状：

1.3本文的主要研究内容

第2章压电智能材料的特性分析

2.1引言

2.2智能材料元件的形式

2.3压电陶瓷特性及压电陶瓷作动器组成

2.3.1压电陶瓷的正、逆压电效应

2.3.2压电陶瓷作动器组成

2.4智能梁压电作动器位置

2.5本章小结

第3章PID模糊控制融合

3.1引言

3.2 PID控制

3.2.1模拟PID控制原理

3.2.2数字PID控制原理

3.3模糊控制

3.3.1模糊控制的基本原理

3.3.2模糊控制系统设计

3.3.3模糊控制器的控制死区

3.4 PID模糊控制融合

3.4.1传统PID控制和模糊控制的结合

3.4.2控制方法融合的基本思想

3.4.3实验系统的PID模糊融合

3.5本章小结

第4章实验系统软件设计及硬件实现

4.1引言

4.2实验系统的组成

4.3控制系统软件设计

4.3.1系统软件的任务

4.3.2控制软件各功能模块

4.4实验系统主要组件

4.4.1压电陶瓷驱动电源

4.4.2应变记录仪

4.4.3伺服驱动器和伺服电机

4.4.4应变传感器

4.4.5放大芯片

4.4.6工控机(IPC)

4.4.7数据采集盒(A/D)

4.5本章小结

第5章实验研究及数据分析

5.1引言

5.2柔性悬臂梁实验

5.2.1末端无负载柔性悬臂梁

5.2.2末端有负载柔性悬臂梁

5.3单柔性机械臂实验

5.4两柔性机械臂实验

5.4.1末端无负载两柔性机械臂实验

5.4.2末端有负载两柔性机械臂实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢