基于奇异摄动法的柔性机械臂振动控制研究

发布时间：2017-04-14 03:23

  本文关键词：基于奇异摄动法的柔性机械臂振动控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着工业化进程的不断发展,工业4.0成为了工业发展的必然趋势,机器人技术将得到不断地革新,柔性机械臂是机器人轻量化设计的重要组成部分,在航空航天、机械制造业等领域有广阔的应用前景。然而,柔性机械臂的应用使得机器人在运行过程中不可避免的引起弹性振动,对机器人的运动精度造成不良影响,不仅如此,弹性振动还会导致机械臂臂的结构产生严重的疲劳破坏,缩短机械臂的使用寿命。因此,必须对机械臂的振动进行抑制。本文以末端带有集中质量块的单杆柔性机械臂为研究对象,研究其动力学特性,并运用奇异摄动法将系统分解为两个子系统,对两个子系统分别进行控制,以达到振动控制的效果。首先,就国内外对柔性机械臂的动力学建模和振动抑制的方法进行了简单的介绍,针对本文的研究对象,将单杆柔性机械臂看作均质的Euler-Bernoulli梁,运用假设模态法对柔性机械臂的弹性变形进行了描述,然后在变形的基础上运用Lagrange方程建立起了柔性机械臂系统的动力学方程。并将通过数学推导的结果与ANSYS模态分析得到的结果进行对比分析,佐证了变形描述的准确性。其次,对相关控制理论进行了简要的介绍分析,其中重点介绍了奇异摄动法的思想及其分解步骤,对滑模变结构控制方法也进行了探讨,为下一步振动控制器的设计提供理论基础。再次,通过奇异摄动理论,将建立的系统动力学方程分解为表示慢变的刚性运动和快变的弹性振动,在此基础上设计了反演滑模变结构控制器和模糊控制器分别对慢变和快变两个子系统进行控制。最后,通过ADAMS建立起的柔性机械臂模型与Matlab/Simulink建立起的控制部分进行联合仿真。分析了控制器对柔性机械臂转角、角速度、振动量、控制力矩的控制效果,并将控制结果与传统的PID控制进行对比分析,验证了奇异摄动法能够很好的对柔性机械臂进行振动控制,且其控制效果要强于传统的PID控制。
【关键词】：柔性机械臂 动力学建模 振动抑制 奇异摄动法
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 柔性机械臂的国内外研究现状10-19
• 1.2.1 柔性机械臂的动力学模型研究现状11-14
• 1.2.2 柔性机械臂振动控制方法的研究现状14-19
• 1.3 本文主要内容及章节安排19-20
• 第二章 柔性机械臂动力学建模20-33
• 2.1 引言20-21
• 2.2 柔性机械臂物理模型的描述21
• 2.3 柔性机械臂动力学方程的建立21-28
• 2.3.1 基于假设模态法的柔性机械臂弹性变形描述21-25
• 2.3.2 柔性机械臂动力学分析25-28
• 2.4 模态仿真分析28-30
• 2.5 有限元计算模态分析30-31
• 2.6 本章小结31-33
• 第三章 控制理论概述33-44
• 3.1 PID控制原理33-34
• 3.2 奇异摄动理论34-36
• 3.2.1 奇异摄动的原理34
• 3.2.2 奇异摄动的定义34-35
• 3.2.3 非线性系统的奇异分解35-36
• 3.3 滑模控制理论36-41
• 3.3.1 滑模变结构控制的原理36-37
• 3.3.2 滑动模态的定义及数学表达式37-38
• 3.3.3 滑模变结构控制器的设计38-39
• 3.3.4 滑模变结构控制抖振产生的原因及抑制39-41
• 3.4 模糊控制理论41-42
• 3.5 反演控制理论42-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 柔性机械臂振动控制器的设计44-55
• 4.1 柔性机械臂动力学模型的奇异分解44-47
• 4.2 系统的组合控制47-48
• 4.3 柔性机械臂系统控制器设计48-54
• 4.3.1 慢变子系统反演滑模控制器设计48-50
• 4.3.2 快变子系统模糊控制器设计50-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 基于ADAMS和Matlab的联合仿真55-70
• 5.1 软件的简介55-56
• 5.1.1 动力学仿真软件ADAMS55-56
• 5.1.2 控制系统设计软件Matlab/Simulink56
• 5.2 联合仿真流程56-57
• 5.3 联合仿真模型建立57-60
• 5.3.1 虚拟样机模型的建立57-59
• 5.3.2 约束的添加59
• 5.3.3 输出变量的建立59-60
• 5.4 ADAMS控制模块的导入60-62
• 5.5 联合控制仿真62-63
• 5.6 仿真参数设定63-64
• 5.7 仿真结果分析64-69
• 5.8 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-71
• 6.1 总结70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-76
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文76-77
• 致谢77-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 金国光;尉静娴;刘艳茹;畅博彦;;刚-柔耦合机械臂动力学建模及其振动抑制研究[J];天津工业大学学报;2014年06期

2 刘旭亮;黄玉平;崔佩娟;徐祯祥;;柔性机械臂建模及动力学特性分析[J];噪声与振动控制;2014年06期

3 娄军强;魏燕定;杨依领;谢锋然;赵晓伟;;智能柔性机械臂的建模和振动主动控制研究[J];机器人;2014年05期

4 张娟;白斌;舒亚峰;刘自强;;基于改进的PID算法的压电柔性机械臂振动主动控制[J];机械科学与技术;2014年05期

5 王云;郑钢铁;;大范围运动柔性结构动力学离散方法比较研究[J];强度与环境;2013年03期

6 李鹏;顾宏斌;吴东苏;;头盔伺服系统执行机构的动力学建模及其验证[J];中国机械工程;2013年09期

7 黄登峰;陈力;;柔性空间机械臂的模糊控制及抑振最优控制[J];系统仿真学报;2012年12期

8 谢立敏;陈力;;具有柔性关节的漂浮基空间机械臂基于状态观测器的轨迹跟踪鲁棒反步控制及弹性振动抑制[J];机器人;2012年06期

9 党进;倪风雷;刘业超;刘宏;;基于新型补偿控制策略的柔性关节控制器设计[J];机器人;2011年02期

10 洪昭斌;陈力;;漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制[J];机械工程学报;2010年07期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 娄军强;基于压电致动器的空间柔性机械臂系统的轨迹跟踪与振动抑制一体化控制研究[D];浙江大学;2013年

2 宁芊;机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术研究[D];四川大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

1 熊能;柔性机械臂振动模态参数识别与时滞补偿控制研究[D];安徽理工大学;2015年

2 张宜驰;基于磁流变原理的柔性机械臂抑振技术研究[D];北京邮电大学;2015年

3 李阳;刚柔机械臂自适应反演滑模控制与振动抑制方法研究[D];吉林大学;2014年

4 孙晓明;考虑减速机构间隙的机械臂动力学建模与分析[D];合肥工业大学;2014年

5 任义;柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

6 魏进;空间柔性机械臂的动力学建模和分析[D];哈尔滨工业大学;2013年

7 邓夏;大负载柔性臂的低频振动控制与实验研究[D];北京邮电大学;2013年

8 龚伦齐;基于改进趋近律的离散时间系统变结构控制方法研究[D];重庆大学;2010年

9 刘艳;基于反演算法的移动焊接机器人轨迹跟踪控制仿真[D];上海交通大学;2010年

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本文编号：305116