空间机械臂柔性关节的位置及抑振控制研究

摘要

目前，世界上大多数国家都十分重视对太空资源的利用和开发，空间机械臂的研究已经成为空间技术研究领域内的一个重要研究方向，利用空间机械臂完成一些太空作业任务具有重要的意义。由于，空间机械臂具有控制精度高、设计寿命长、可靠性高等特点，因此，对其设计和控制提出了很高的要求。本文重点针对空间机械臂系统的关键组成部分——柔性关节进行研究分析，对柔性关节的动力学模型、高精度位置控制和振动抑制控制等问题作了相关研究。
　　首先，基于Lagrange方程得到空间机械臂柔性关节的简化动力学模型。应用Matlab/SimMechanics仿真软件进行动力学仿真分析，验证了动力学模型的有效性和可实现性，为后面的控制策略的研究提供了重要的理论依据。针对柔性关节的线性扭转弹簧模型和弹簧阻尼器模型，采用常规的PD控制器对其进行仿真实验，对比分析了不同输入信号、控制器参数以及非线性阻尼对系统的影响，仿真结果表明，要实现柔性关节的高精度控制，需要进一步对其控制策略进行研究。
　　其次，针对空间机械臂柔性关节的高精度位置控制进行研究。考虑了非线性因素对系统的影响，通过分析半闭环PD位置控制和全闭环PD位置控制的优缺点，设计了一种双位置反馈PD控制器来提高关节输出端的位置轨迹跟踪精度，为了实现更高精度的位置轨迹跟踪控制，针对PD控制器的缺陷，采用自抗扰控制器，设计双位置反馈自抗扰控制策略，通过对柔性关节系统进行仿真实验表明，所设计的控制策略不仅能够提高系统的轨迹跟踪精度，还能克服摩擦等非线性因素对系统性能的影响。
　　再次，针对空间机械臂柔性关节的振动抑制进行研究。通过对柔性关节的振动状态分析，采用了力矩负反馈控制来实现关节的抑振，考虑到关节力矩常常受到干扰信号的影响，在此基础上，对力矩负反馈控制进行改进，设计力矩负反馈PD控制器，仿真结果表明，力矩负反馈PD控制在实现抑振的同时可较好的避免干扰信号的影响。鉴于力矩负反馈PD控制器不能兼顾抑振效果和轨迹跟踪精度的问题，设计振动力矩反馈控制器，仿真实验表明，该方法在实现有效抑振的同时能够保持轨迹跟踪的精度。
　　最后，为了满足空间机械臂柔性关节设计指标的要求，既能保证高精度的位置控制的同时实现有效抑振，对空间机械臂柔性关节进行位置/力混合控制，设计四种不同的混合控制策略，通过仿真结果表明，四种混合控制策略均能满足设计指标的要求，且双位置反馈自抗扰控制+振动力矩反馈控制的混合控制效果最为理想。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 空间机械臂的研究现状

1．2．1 国外空间机械臂的研究现状

1．2．2 国内空间机械臂的研究现状

1．3 柔性关节关键技术研究现状

1．3．1 柔性关节动力学建模研究现状

1．3．2 柔性关节控制方法研究现状

1．4 本文的主要研究内容

2 空间机械臂柔性关节的动力学建模及仿真

2．1 引言

2．2 柔性关节的动力学建模

2．2．1 柔性关节的结构组成

2．2．2 柔性关节的动力学方程

2．2．3 动力学方程的数值求解

2．3 基于SimMechanics的柔性关节动力学仿真

2．3．1 基于SimMechanics的动力学仿真验证实验

2．3．2 线性扭转弹簧模型仿真实验

2．3．3 弹簧阻尼器模型仿真实验

2．4 本章小结

3 空间机械臂柔性关节高精度位置控制研究

3．1 引言

3．2 柔性关节非线性特性分析

3．2．1 柔性关节存在的非线性因素

3．2．2 典型非线性因素对关节系统的影响

3．3 双位置反馈控制器设计

3．3．1 半闭环／全闭环位置控制方法

3．3．2 两种控制方法的比对仿真实验

3．3．3 双位置反馈控制系统设计

3．3．4 双位置反馈控制仿真实验

3．4 自抗扰控制器

3．4．1 PD控制器的缺陷及解决方法

3．4．2 自抗扰控制器的原理及组成模块

3．4．3 自抗扰控制器参数的选取

3．5 空间机械臂柔性关节的控制器设计

3．5．1 柔性关节的双位置反馈自抗扰控制器设计

3．5．2 基于双位置反馈的PD控制和自抗扰控制仿真实验

3．6 本章小结

4 空间机械臂柔性关节的振动抑制研究

4．1 引言

4．2 柔性关节振动状态分析

4．3 力矩负反馈控制器

4．3．1 力矩负反馈仿真实验

4．3．2 力矩负反馈增益系数对系统的影响

4．4 力矩负反馈PD控制器

4．4．1 力矩负反馈控制器的缺陷

4．4．2 力矩负反馈PD控制器

4．5 振动力矩反馈控制器

4．5．1 振动力矩反馈控制仿真实验

4．5．2 振动力矩反馈增益系数对系统的影响

4．6 本章小结

5 空间机械臂柔性关节位置／力混合控制仿真

5．1 引言

5．2 柔性关节控制器的设计方案

5．3 仿真分析

5．3．1 方案一仿真实验

5．3．2 方案二仿真实验

5．3．3 方案三仿真实验

5．3．4 方案四仿真实验

5．3．5 仿真结果分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

作者简历

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