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柔性机械臂的无源化控制研究

作　者: 杨晔
导　师: 徐波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 柔性机械臂 哈密顿系统 耗散性 欠激励系统 无源化控制
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


近年来,随着制造业要求的不断提高和空间应用等领域需求的不断扩大,柔性机械手受到了各方面的特别关注。结构上,柔性机械手的特点是其连杆是轻型的、弹性的。因而它在操作速度、工作效率、能耗等方面与传统的工业机器人相比有较大的优越性。然而也正是由于连杆存在弹性变形和振动,使得柔性机械手成为一个高度非线性的、分布参数的、强耦合的无穷维多输入多输出系统,因此其建模和控制也具有重要的理论意义和应用前景。本文较系统地介绍了一种柔性机械臂的建模方法:利用哈密顿原理推导了单杆、双杆柔性机械臂的非线性动力学方程。该方法考虑了柔性机械臂刚体运动和弹性变形之间的耦合影响,并将柔性机械臂假设为一段Euel-Bemuolli梁处理,将弹性变形用截断模态方程表示,同时考虑了弹性势能的影响,得到了单杆、双连杆柔性机械臂的动力学模型。由于柔性机械臂测量和建模的不精确,再加上负载的变化以及外部扰动的影响,很难得到精确、完整的运动模型;使其控制过程存在严重的不确定性,传统的控制方法难以对其进行准确控制,采用无源化控制方法可以较好地解决柔性臂非线性系统的控制问题。无源化控制是利用耗散性的原理使受控系统稳定的方法,更确切的说是使系统耗散的同时其储能函数在期望的平衡点有极小值。对于简单的机械系统,可以通过无源化方法改变其势能可使系统稳定。此时的闭环系统仍然是拉格朗日系统,总能量为储存和提供的能量之差。因此,无源化方法也被称为能量平衡方法。对于欠激励系统需要同时改变系统的动能和势能来实现其稳定性控制,此时使用传统的无源化方法破坏了系统的拉格朗日结构并且储能函数不能表示闭环系统实际的能量。为此,可以考虑由哈密顿方程描述的系统,其后采用改进的无源化控制方法(互联和阻尼分配的无源化控制)同时改变系统的动能和势能使欠激励系统达到稳定状态,从而有效的克服欠激励的问题。施加控制律后的整个闭环系统为端口受控耗散哈密顿结构,其期望的平衡点为闭环系统能量函数的最小值点,从而可使系统在该点稳定。基于此,本文利用互联与阻尼分配无源化方法为柔性机械臂系统设计控制律,并通过仿真结果证实此种方法的有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 课题研究意义  11-12
  1.2 柔性机械臂动力学建模  12-13
  1.3 柔性机械臂控制技术  13-15
  1.4 柔性机械臂未来研究方向  15
  1.5 本课题研究的内容及论文的安排  15-17
第二章 无源化控制  17-36
  2.1 无源系统介绍  17-18
  2.2 无源性相关定理  18-21
    2.2.1 无源性与无源定理  18-19
    2.2.2 无源互联系统  19-21
    2.2.3 无源系统稳定性  21
  2.3 拉格朗日系统与无源性  21-23
  2.4 端口受控耗散哈密顿系统的无源化控制  23-35
    2.4.1 端口受控哈密顿系统  23-25
    2.4.2 端口受控哈密顿系统特性  25-28
    2.4.3 端口受控耗散哈密顿系统  28-30
    2.4.4 注入阻尼稳定系统  30
    2.4.5 端口受控耗散哈密顿系统互联结构  30-34
    2.4.6 端口受控耗散哈密顿系统的无源化控制  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章 柔性机械臂动力学模型  36-51
  3.1 引言  36-38
  3.2 单连杆柔性机械臂假设模态模型  38-42
    3.2.1 单连杆柔性机械臂动力学描述  38-39
    3.2.2 单连杆柔性臂自由振动模态分析  39-40
    3.2.3 柔性臂固有振型的正交性条件  40-41
    3.2.4 单连杆柔性臂动力学模型  41-42
  3.3 单连杆柔性机械臂有限元模型  42-47
  3.4 双连杆柔性臂动力学模型  47-50
    3.4.1 双连杆柔性臂动力学描述  47-48
    3.4.2 双连杆柔性臂动力学模型  48-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章 柔性机械臂控制策略  51-70
  4.1 引言  51
  4.2 互联和阻尼分配无源化控制概述  51-53
    4.2.1 广义非线性系统  52
    4.2.2 解偏微分方程  52-53
  4.3 欠激励机械系统的互联和阻尼分配无源化控制  53-55
    4.3.1 阻尼注入  53-54
    4.3.2 能量注入  54-55
    4.3.3 稳定性分析  55
  4.4 单连杆一阶柔性臂的互联和阻尼分配无源化控制  55-60
    4.4.1 控制律设计  55-57
    4.4.2 稳定性分析  57-59
    4.4.3 仿真结果分析  59-60
  4.5 单连杆二阶柔性臂的互联和阻尼分配无源化控制  60-64
    4.5.1 控制律设计  60-63
    4.5.2 仿真结果分析  63-64
  4.6 双连杆一阶柔性臂的互联和阻尼分配无源化控制  64-69
    4.6.1 控制律设计  64-66
    4.6.2 仿真结果分析  66-69
  4.7 本章小结  69-70
第五章 总结与展望  70-72
  5.1 本文主要贡献  70
  5.2 本文的不足之处和进一步展望  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
在学期间的研究成果及发表的学术论文  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机械手
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