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摘要
在航空航天和工业应用领域,轻质高效的柔性旋转梁结构应用广泛。当其执行转动操作任务时,由于刚度低、阻尼小的结构特性其末端会激起低频弹性振动且衰减缓慢,对柔性梁操作效率和使用寿命带来较大影响,此外,柔性梁系统存在刚柔耦合、摩擦以及减速器间隙等较多的非线性因素。因此设计合理有效的控制策略来提高转动平稳性以及快速抑制残余振动是十分有必要的。论文主要工作包括:(1)建立旋转单梁系统和双梁系统数学模型。基于假设模态法描述弹性振动,推导动力学模型并进一步提取运动学方程,为后续振动控制策略提供理论基础;分析柔性梁系统间隙、双梁耦合等非线性特性,确定双梁复合控制方案。(2)由点激光器与相机搭建结构光视觉测取旋转柔性梁的弹性振动。基于张氏标定法提出相机、激光线方程、电机轴方程标定方法,完成三维重建以及振动信息提取相关理论推导,补偿由于激光与梁面不垂直产生的误差,总结整体测量步骤。(3)从前馈控制角度提高单、双柔性梁系统的转动平稳性,针对点到点运动规划抑振轨迹。对单梁系统以多项式结合傅里叶级数为基础轨迹,基于辨识的自回归滑动平均模型构造振动目标函数,采用粒子群算法优化轨迹参数。对双梁系统以分段五次多项式样条函数为基础轨迹,基于状态空间形式辨识双梁耦合运动学方程,并采用自适应遗传算法优化轨迹分段区间端点浮动值,得到双梁的优化抑振轨迹。(4)从反馈控制角度设计振动控制器抑制柔性梁旋转激起的弹性振动,从而提高操作效率。由于柔性梁系统存在非线性不确定因素,常规线性控制器效果局限。考虑到对角回归神经网络的非线性映射能力和“记忆”能力,设计相应的辨识网络和控制网络实现单梁系统的在线辨识与振动抑制。对双梁系统设计模糊预测控制算法,利用分段特性突破间隙控制死区,各运动区段对应切换主导模型,结合预测控制实现振动快速抑制。(5)基于上述测控策略分析搭建单、双梁平台实验研究,其中为不失一般性双梁实验平台包括对称双梁与非对称双梁。分别规划梯形速度、摆线等经典轨迹与优化轨迹下的转动,实验结果表明规划所提的两种优化轨迹时柔性梁振动响应更小。对单、双梁系统分别采用对角回归神经网络控制和模糊预测控制,与PD控制对比实验结果均表明,所提出的控制算法振动抑制效果更好,特别是对于小幅值残余振动。
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