行星减速器驱动旋转双柔性压电梁振动控制实验研究

发布时间：2017-05-23 08:03

  本文关键词：行星减速器驱动旋转双柔性压电梁振动控制实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：空间柔性机器人、航天器太阳能帆板以及螺旋桨等具有旋转双臂的柔性结构具有质量轻、阻尼小、刚度低的特点,这使得结构在受到外部扰动作用和姿态转动调整过程中易产生持续振动,影响系统的稳定性和定位精度。同时,与柔性结构联接的行星减速器在传动过程中不可避免地存在间隙和摩擦等非线性特性。双柔性臂的耦合作用、行星齿轮减速器的摩擦特性、间隙特性等非线性因素共同影响下的旋转双柔性梁系统是一个强耦合、非线性的多输入多输出(MIMO)控制系统,加大了控制难度。因此,有必要针对该系统设计控制算法,对振动进行有效的抑制。在行星减速器存在间隙的情况下,双梁的耦合作用表现为双柔性梁以反相振动为主的振动形态,仅采用伺服电机作为驱动器控制该系统是不可能的。并且,行星减速器的间隙非线性和摩擦非线性将降低基于模型算法的控制性能。为此,首先针对旋转双柔性梁控制系统设计常规比例加微分(PD)控制器;其次,研究一种适用于MIMO系统的非线性T-S模糊控制算法。利用模糊控制器自身具有的多变量解耦能力以及模糊规则具有的分段性,将非线性引入控制器,实现双柔性梁在平衡点附近的小幅值振动的快速抑制;最后,研究一种基于MIMO系统的分层递推模糊控制算法。算法在模糊控制器中引入分层结构,将旋转双柔性梁系统的运行状态划分为不同的区间进行控制,以得到满意的控制效果。分层递推结构的引入在处理多变量系统模糊规则爆炸问题的同时,解决了规则集合完备性和相容性的矛盾。设计并建立旋转双柔性压电梁结构振动控制实验平台。利用压电传感器采集柔性梁的振动信号,压电驱动器和交流伺服电机驱动器抑制柔性梁的振动,对PD控制算法、非线性T-S模糊控制算法和分层递推模糊算法进行实验比较研究。实验研究分别采用单压电驱动、双压电驱动、反接单压电驱动、反接双压电驱动、双压电和伺服电机复合驱动、电机旋转过程中的双压电驱动控制策略,验证研究算法在不同控制策略下的控制效果。实验结果显示,相比PD算法,研究的非线性T-S模糊控制算法和分层递推模糊算法对结构的大幅值振动和小幅值振动都有更快速的抑制效果。实验结果验证了反接驱动控制方案的不可行性。
【关键词】：旋转双柔性压电梁 行星减速器 间隙 耦合 振动控制
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH132.46;TB535
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题背景及研究意义11-13
• 1.3 国内外研究现状13-23
• 1.3.1 智能柔性梁结构的研究现状13-16
• 1.3.2 智能材料的研究现状16-17
• 1.3.3 信号滤波技术的研究现状17-18
• 1.3.4 驱动器非线性特性的研究现状18-19
• 1.3.5 振动控制算法研究现状19-23
• 1.4 本文的主要内容23-25
• 第二章 旋转双柔性梁结构振动特性分析25-45
• 2.1 行星减速器驱动旋转双柔性压电梁系统25-26
• 2.2 旋转双柔性压电梁的材料和尺寸参数26-28
• 2.3 行星齿轮减速器驱动旋转双柔性梁系统特性分析28-36
• 2.3.1 行星齿轮减速器的摩擦非线性和间隙非线性28-33
• 2.3.2 旋转双柔性压电梁的ANSYS模态分析和耦合特性分析33-36
• 2.4 旋转双柔性梁结构的动力学模型36-40
• 2.5 考虑齿轮间隙的行星减速器动力学模型40-43
• 2.6 行星减速器驱动旋转双柔性压电梁系统的振动控制策略43-44
• 2.7 本章小结44-45
• 第三章 旋转双柔性梁振动主动控制算法45-72
• 3.1 PD控制算法设计45-46
• 3.2 非线性T-S模糊控制算法设计46-52
• 3.2.1 MIMO系统模糊控制器结构的确定48-49
• 3.2.2 非线性T-S模糊控制器的语言变量和论域49
• 3.2.3 模糊语言值的隶属度函数49-50
• 3.2.4 模糊推理规则设计50-52
• 3.3 分层递推模糊控制算法设计52-69
• 3.3.1 基于MISO系统的分层递推模糊控制器53-54
• 3.3.2 旋转双柔性压电梁分层递推模糊控制器结构的确定54-55
• 3.3.3 状态观测器设计55-63
• 3.3.4 能量指标的计算和输入变量的分离63
• 3.3.5 高层推理机及功能模块设计63-64
• 3.3.6 底层推理机的设计64-67
• 3.3.7 激活函数的优化67-68
• 3.3.8 分层递推结构的性能分析68-69
• 3.4 Butterworth滤波器设计69-71
• 3.5 本章小结71-72
• 第四章 旋转双柔性梁振动主动控制实验系统设计72-89
• 4.1 实验系统硬件72-75
• 4.2 控制系统软件75-81
• 4.2.1 控制主程序设计75-77
• 4.2.2 运动控制卡设置及内部函数77-78
• 4.2.3 运动控制器初始化程序78-79
• 4.2.4 运动控制器内部时钟定时程序79-80
• 4.2.5 控制软件界面设计80-81
• 4.3 旋转双柔性压电梁结构自由振动信号采集81-88
• 4.4 本章小结88-89
• 第五章 旋转双柔性梁结构振动控制实验结果与比较89-133
• 5.1 旋转双柔性梁PD控制实验结果89-101
• 5.1.1 压电驱动器驱动PD控制实验结果89-91
• 5.1.2 压电驱动器反接驱动PD控制实验结果91-94
• 5.1.3 伺服电机驱动PD控制实验结果94-96
• 5.1.4 压电驱动器和伺服电机复合驱动PD控制实验结果96-99
• 5.1.5 双柔性梁转动过程中的压电驱动PD控制实验结果99-101
• 5.2 旋转双柔性梁非线性T-S模糊控制实验结果101-114
• 5.2.1 压电驱动器驱动非线性T-S模糊控制实验结果102-104
• 5.2.2 压电驱动器反接驱动非线性T-S模糊控制实验结果104-107
• 5.2.3 伺服电机驱动非线性T-S模糊控制实验结果107-109
• 5.2.4 压电驱动器和伺服电机复合驱动非线性T-S模糊控制实验结果109-111
• 5.2.5 双柔性梁转动过程中的压电驱动非线性T-S模糊控制实验结果111-114
• 5.3 旋转双柔性梁分层递推模糊控制振动实验结果114-131
• 5.3.1 压电驱动器驱动分层递推模糊控制实验结果114-118
• 5.3.2 压电驱动器反接驱动分层递推模糊控制实验结果118-122
• 5.3.3 伺服电机驱动分层递推模糊控制实验结果122-125
• 5.3.4 压电驱动器和伺服电机复合驱动分层递推模糊控制实验结果125-128
• 5.3.5 双柔性梁转动过程中的压电驱动分层递推模糊控制实验结果128-131
• 5.4 本章小结131-133
• 总结与展望133-135
• 全文工作总结133-134
• 今后研究方向与展望134-135
• 参考文献135-144
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果144-145
• 致谢145-146
• 附件146

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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10 李坤;

本文编号：387279