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基于奇异摄动法的柔性机械臂振动控制研究

张征鹏  
【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。


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