弹性连杆机构振动主动控制理论与实验研究

论文摘要

本文以弹性连杆机构为对象，对含机敏构件的弹性机构动力学模型的建立、机构弹性振动主动控制方法、原动件速度变化对机构动态性能的影响等问题进行了比较系统深入的研究。主要研究工作及结论如下： 采用有限元法和Lagrange方程，建立了含压电机敏构件的弹性连杆机构动力学模型，并对其动力学响应进行求解。在建模过程中，考虑了机构刚体运动和构件弹性变形引起的刚弹耦合效应、压电材料机电耦合效应对机构动能和变形能的影响、以及机构变形引起的几何非线性因素等。建立的机构模型为时变的非线性动力学方程，采用改进的状态空间闭式算法对其进行求解。计算出的弹性机构动力学响应与实验测得的响应数据基本吻合。 针对弹性连杆机构振动主动控制系统特点，提出了基于机构离散状态空间模型的主动模型算法控制方法。复杂的时变非线性弹性连杆机构动力学行为受多种因素影响，而模型算法控制方法降低了对系统模型的要求，其突出优点在于对复杂系统的不确定因素的适应性。采用该方法对弹性机构振动主动控制进行了仿真和实验研究。仿真结果与最优控制方法计算结果进行比较，对比显示其控制效果优于最优控制。实验研究验证了主动模型算法控制方法的有效性。 在机构振动响应主动模型算法控制研究基础上，进一步提出了抑制弹性连杆机构振动响应的主动预测函数控制方法。根据机构动态响应和压电材料的特性，选择了机构振动变形响应的参考轨迹、基函数和电压约束条件。通过优化基函数的线性组合系数，使控制电压具有规律性，在线计算量减小。讨论了预测时域长度等相关参数变化对控制效果的影响。对最优控制、模型算法控制和预测函数控制三种控制方法的优缺点进行了对比分析。 研究了振动主动控制中作动器和传感器位置优化问题。针对弹性连杆机构动态系统模态参数时变的特点，提出了表征作动器作动能量的可控性指标和表征传感器测量信号能量的可观性指标，据此判断作动器和传感器的最优位置。通过对弹性连杆机构的数值仿真和简支梁激励实验，确定了传感器和作动器的最优位置。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 弹性连杆机构动力学建模
• 1.2.2 弹性连杆机构振动控制研究
• 1.2.3 混合驱动机构研究
• 1.3 本文主要工作
• 2 含机敏构件的弹性连杆机构建模及其动力学响应求解
• 2.1 概述
• 2.2 含压电材料的梁单元动力学微分方程的建立
• 2.2.1 梁单元运动分析
• 2.2.2 压电材料的压电方程
• 2.2.3 梁单元运动微分方程的建立
• 2.3 弹性连杆机构运动微分方程的建立
• 2.4 微分方程求解
• 2.5 弹性连杆机构仿真算例
• 2.5.1 算例一
• 2.5.2 算例二
• 2.6 本章小结
• 3 弹性连杆机构振动主动模型算法控制
• 3.1 概述
• 3.2 弹性连杆机构振动主动控制状态方程的建立
• 3.3 主动控制状态方程的离散化
• 3.4 弹性连杆机构振动的最优控制
• 3.5 弹性连杆机构振动的模型算法控制
• 3.5.1 连杆机构振动预测模型的建立
• 3.5.2 控制律设计
• 3.6 仿真算例
• 3.6.1 算例一
• 3.6.2 算例二
• 3.7 本章小结
• 4 弹性连杆机构振动主动预测函数控制
• 4.1 概述
• 4.2 弹性连杆机构振动的预测函数控制
• 4.2.1 预测模型的建立
• 4.2.2 控制律设计
• 4.3 仿真算例
• 4.4 几种控制算法比较
• 4.5 本章小结
• 5 作动器/传感器的位置优化
• 5.1 概述
• 5.2 作动器位置优化的可控性指标
• 5.3 传感器位置优化的可观性指标
• 5.3.1 小波多分辨率分析
• 5.3.2 可观性指标
• 5.4 仿真算例
• 5.4.1 连杆机构位置优化算例
• 5.4.2 简支梁位置优化算例
• 5.5 本章小结
• 6 电机—弹性连杆机构系统振动响应研究
• 6.1 概述
• 6.2 电机—弹性连杆机构系统动力学微分方程的建立及求解
• 6.2.1 弹性连杆机构动力学方程
• 6.2.2 转子动力学方程
• 6.2.3 电机—弹性连杆机构系统动力学方程
• 6.2.4 方程求解
• 6.2.5 仿真算例
• 6.3 连杆机构曲柄速度的约束变尺度优化
• 6.3.1 曲柄转速的约束变尺度优化算法
• 6.3.2 仿真算例
• 6.4 本章小结
• 7 弹性连杆机构振动主动控制实验研究
• 7.1 概述
• 7.2 弹性四杆机构实验台设计与实验原理
• 7.3 实验仪器的标定
• 7.4 实验过程
• 7.5 实验结果
• 7.5.1 振动响应的测量
• 7.5.2 振动响应的主动控制
• 7.6 本章小结
• 8 混合驱动五杆机构轨迹生成研究
• 8.1 概述
• 8.2 混合驱动五杆机构的逆运动学分析
• 8.2.1 原动件输入角位移的计算
• 8.2.2 原动件输入角速度的计算
• 8.2.3 电机转速的确定
• 8.3 混合驱动五杆机构算例
• 8.3.1 原动件输入角速度对机构输出轨迹的影响
• 8.3.2 原动件初始位置对机构输出轨迹的影响
• 8.3.3 实验研究
• 8.4 本章小结
• 9 全文总结与展望
• 9.1 研究工作总结
• 9.2 论文创新性成果
• 9.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作为主要参加者完成的课题
• 勘误表