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柔性机械臂振动模态参数识别与时滞补偿控制研究

熊能  
【摘要】:随着科技的发展,柔性结构在工程中得到越来越多的使用,如卫星帆板、空间机械手、工业机械臂等,并且对其运行精度也提出了越来越高的要求。由于大挠度结构振动阻尼较小,易受扰动而产生振动,因此分析其动力学特性,设计有效控制方法对柔性机械臂的振动进行控制,是非常重要的。动态系统理论建模存在很多困难,模态理论目前是一种较为成熟而得到广泛应用的理论。在过程控制中容易发现,被控对象往往存在着不同程度的纯滞后,进而影响控制效果,为了改善时滞系统的控制效果,需要对其控制进行时滞补偿。 本文以单关节柔性机械臂为研究对象,利用压电陶瓷做传感器和控制器,对柔性机械臂的振动参数辨识、振动主动控制及时滞补偿进行理论和实验研究。主要内容如下: 引入独立成分分析(ICA)算法对柔性机械臂系统振动模态参数进行辨识。用Lab VIEW软件编写独立成分分析程序,对振动信号进行分析,辨识系统模态参数,进而构建系统模态模型。对振动信号进行ICA处理与不进行ICA处理的模态参数识别效果比较,证明了ICA方法具有更好的信号分离及振动模态参数识别能力。 使用基于卡尔曼滤波器的LQG算法对柔性机械臂的振动进行主动控制。确定柔性机械臂传感器和驱动器的配置方案,并在NI CRIO实时控制平台上组建了压电柔性机械臂主动控制实验系统。根据本文用到的柔性臂模型,使用Lab VIEW软件编写控制算法程序,进行柔性臂振动主动控制实验。实验结果表明基于卡尔曼滤波器的LQG算法能对柔性臂的振动实现有效抑制。 对振动主动控制的时滞问题进行补偿研究,简要阐述了二阶时滞系统的稳定性,运用李沙育图形对控制信号与传感信号之间相位差进行了观测,并做出初步估计。对LQG控制算法做出Smith预估补偿并进行实验验证,并通过实验现象确定了控制信号与传感信号之间的相位差。实验结果表明,时滞补偿后在第一、二阶模态频率处的控制效果均好于补偿前,并能有效减少驱动片对结构的高频激励作用,验证了Smith预估补偿方法的有效性,以及对振动控制效果的改进作用。


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