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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

娄军强  
【摘要】:空间柔性机械系统的轨迹跟踪和振动抑制问题是当前柔性结构和航天科技领域中及其重要又富有挑战性的课题。本学位论文在国家自然科学基金的资助下,以空间柔性机械臂系统的运动控制和振动抑制技术为研究背景,以一类由压电致动器/传感器、伺服电机减速器驱动结构和柔性臂等构成的典型智能空间柔性机械臂系统为研究对象,研究了伺服电机和压电致动器联合作用下柔性臂系统的动力学特性,并建立系统的动力学模型和驱动模型;解决了系统中致动器/传感器的优化配置问题;深入研究了空间柔性机械臂系统的抑振轨迹规划机理和优化算法;确定了柔性臂系统的运动控制策略和振动抑制策略,最终实现了在伺服电机驱动和压电致动器主动控制下空间柔性机械臂系统的轨迹跟踪和振动抑制一体化控制。提高了系统的运动控制精度和工作效率。 以一类包含伺服电机、减速器、柔性臂、末端操作对象以及压电致动器/传感器在内的空间柔性机械臂系统为研究对象,基于假设模态法和Hamilton原理建立了系统的动力学方程。并对伺服电机的驱动机理进行研究,提出了考虑摩擦力矩、减速器及柔性臂弹性振动的耦合反力矩的伺服电机机电耦合模型。 基于线性二次最优控制理论,提出了致动器/传感器的复合优化配置准则,该准则包含两个控制指标:①综合柔性臂弹性振动能量、压电致动器控制能量,系统刚体转动能量、以及伺服电机驱动能量的LQR综合能量指标;②致动器引入对系统特性影响的系统结构固有频率变化率指标。然后采用改进的多岛遗传算法得到了不同频率变化率指标下,一组、两组压电致动器/传感器的尺寸、位置和控制增益的最优配置结果。 从系统动力学方程出发,揭示了伺服电机驱动、压电致动器主动控制下空间柔性机械臂系统的抑振轨迹规划机理,提出了包含系统柔性部分激振力矩和刚性部分驱动力矩的综合指标。并选择激起柔性臂振动较小的五次多项式样条函数作为轨迹优化的基础曲线和插值曲线,利用改进的多岛遗传算法对空间柔性机械臂系统的运动轨迹进行优化,得到了综合指标最小的最优抑振轨迹。 引入奇异摄动因子对系统动力学方程进行分解,分别推导得到系统基于奇异摄动模型的快、慢子系统动力学方程。针对快、慢子系统在各自时标下的动力学特性,对具有强耦合性及强非线性的慢变子系统提出模糊滑模控制策略;而对由于模态截断带来模型不确定性以及多模态特性的快变子系统采用分级自适应模糊PID控制策略,从而实现了空间柔性机械臂系统在伺服驱动电机和压电致动器联合控制下的轨迹跟踪和振动抑制一体化控制,提高了系统的运动精度和操作效率。


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