结构和控制系统综合最优设计及在柔性臂上的应用

论文摘要

相对于刚性机械臂,柔性机械臂系统是非常复杂的动力学系统,由于其结构的柔性而带来的非线性、强耦合性,以及执行过程中的振动问题,使得对实现柔性机械臂的高精度控制提出更高要求。目前绝大多数的研究集中在对柔性机械臂控制规律上,主要是将其作为均匀梁进行研究,很少涉及到对柔性机械臂本身结构的研究以及结构对控制效果的影响。本文介绍了柔性机械臂结构和振动控制并行研究的概况,以单连杆柔性机械臂为研究对象,首先,应用模态分析法和基于拉格朗日方程的动力学方法,分析了柔性悬臂梁横向振动的动力学特性,建立了柔性机械臂的动力学模型和控制系统模型,并且设计了其控制系统,进而针对此类变截面柔性悬臂梁很难求得其动力学特性精确解的问题,提出了将变截面柔性悬臂梁模型单元离散化,并结合有限元方法和控制理论,针对单连杆柔性机械臂系统,提出采用同时设计的方法,将结构动力学模型和控制模型进行并行设计,对包含柔性机械臂结构参数、传感器参数和控制器参数的系统模型进行整体优化设计,改进的遗传算法用于参数的全局寻优。仿真结果显示,通过对结构和控制参数的多目标优化设计,获得的单连杆柔性机械臂为变截面梁,其结构振动和控制效果均优于单独考虑结构或控制时的优化结果,并且仅采用简单的控制器达到减小梁末端振动的效果。

论文目录

• 摘要
• Summary
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构和控制系统单独设计存在的问题
• 1.3 结构和控制系统设计的建模方法
• 1.3.1 柔性臂结构动力学建模方法
• 1.3.2 柔性机械臂控制系统的建模方法
• 1.4 结构和控制系统综合最优设计的研究现状
• 1.5 本文研究手段及主要研究内容
• 1.5.1 研究手段
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 内容安排
• 第二章 柔性臂结构和控制系统参数的综合设计分析
• 2.1 柔性臂结构的振动特性分析
• 2.1.1 柔性的自由振动模态分析
• 2.1.2 柔性臂固有振型的正交性分析
• 2.1.3 对角化坐标变换
• 2.2 柔性臂的控制及控制方程的建立
• 2.2.1 柔性臂状态方程的建立
• 2.2.2 控制系统反馈系数的确定
• 2.3 柔性臂结构和控制系统参数的相互影响及分析
• 2.4 柔性臂结构和控制系统设计方法比较及选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 综合最优模型的建立及优化
• 3.1 柔性臂系统的有限元法建模
• 3.1.1 有限元基本方程
• 3.2 ANSYS软件简介
• 3.2.1 基于ANSYS的柔性臂结构分析
• 3.3 柔性臂控制系统建模
• 3.3.1 柔性臂控制系统建模
• 3.3.2 Matlab软件简介
• 3.3.3 基于Matlab的控制方程求解
• 3.4 综合最优模型的建立
• 3.4.1 设计变量确定
• 3.4.2 目标函数建立
• 3.4.3 约束条件确定
• 3.5 优化方法确定
• 3.5.1 常用优化方法及评述
• 3.5.2 遗传算法的基本思想
• 3.6 本章小结
• 第四章 综合最优模型优化设计的计算机实现
• 4.1 求解柔性悬臂梁的刚度矩阵和质量矩阵
• 4.2 MATLAB控制程序设计及参数计算
• 4.3 本章小结
• 第五章 仿真分析
• 5.1 实例仿真
• 5.2 本章小结
• 第六章 本文总结
• 6.1 论文结论
• 6.2 论文展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录