基于奇异摄动法的振动基柔性机械臂的非线性鲁棒控制研究

【摘要】：弹药传输机械臂作为火炮弹药自动装填系统的核心部件,其定位控制精度和装填时间会对整个武器系统的性能造成直接影响。现阶段,制约弹药自动装填系统发展的主要问题有:复杂路面状况及火炮后坐力所带来的振动干扰;过大的结构刚性导致的动态接触冲击;以及较低的负载自重比。对此,本文以弹药传输机械臂为研究对象,为提高其性能,将柔性关节、柔性连杆引入模型中,探讨了柔性弹药传输机械臂在车体振动等不确定因素影响下的动力学建模与控制方法。(1)介绍了弹药传输机械臂的结构和工作原理,分析了路面对火炮车体振动的激励作用,将振动类型分为了三种:垂直振动、俯仰振动和摇摆振动。分别针对三种类型的基座振动模式建立弹药传输机械臂的动力学模型,将三种动力学模型转化为了统一形式,以便分析不同振动对系统造成的影响。(2)研究了考虑柔性关节、柔性连杆特性的弹药传输机械臂在振动基座下的位置控制与柔性振动抑制问题。将柔性关节、柔性连杆分别简化为线性弹簧和Euler-Bernoulli梁。针对两种不同的柔性系统,均将基座振动视为外部不确定扰动,建立振动基柔性弹药传输机械臂的耦合模型。然后,基于奇异摄动技术,将系统降阶为慢变和快变两个子系统。慢变子系统表征机械臂的刚性运动和基座低频振动;快变子系统表征机械臂的柔性振动和基座高频振动。对此,本文针对柔性连杆机械臂设计了鲁棒性较强的非奇异终端滑模神经网络控制器和能对柔性振动抑制的LQR控制器;针对柔性关节机械臂则设计了基于神经网络的鲁棒控制器以及柔性关节速度差值反馈控制器。通过仿真验证了所设计的混合控制器不仅能克服基座振动的干扰,实现机械臂精确的位置控制,并能够对柔性振动进行快速抑制。(3)将柔性关节、柔性连杆同时引入振动基弹药传输机械臂中,将基座振动视为外界干扰,建立振动基复合柔性弹药传输机械臂的动力学模型。通过奇异摄动技术,实现振动状态的不同类分解,将整个系统分解为刚性慢变运动、柔性关节振动、柔性臂模态振动三个子系统。针对慢变运动设计基于神经网络的鲁棒控制器,两类柔性振动则分别设计为LQR和速度差值反馈控制器,仿真表明该混合控制器能对基座振动影响进行补偿,实现精确定位控制,并且能同时对两种柔性振动进行抑制。