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液压柔性臂的动力学及控制研究

作　者: 李光
导　师: 杨襄璧
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 柔性机械臂电液伺服系统非线性控制反演控制自适应鲁棒控制
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 680次
引　用: 6次
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内容摘要

轻质柔性机械臂同传统的刚性机械臂相比，具有运动灵活、低能耗及高负载／本体质量比的特点，在航空、航天及机器人领域得到了极大的应用。针对柔性机械臂进行有效和精确的建模以及对其进行有效的主动控制一直是国内外学者研究的重要课题，其中Newton-Euler和Lagrange法广泛地应用于柔性机械臂的动力学模型建立，滑模控制、自适应控制和智能控制等非线性控制的应用，也取得了大量的成果。但值得提出的是以上研究绝大部分都是以电动机驱动柔性机械臂为对象的，而对液压柔性机械臂所开展的工作，相对较少。本研究工作以液压柔性机械臂为重点，分析、建立这一高度非线性、强耦合和时变系统的动力学模型，利用最新非线性控制研究的理论成果，以电液伺服位置系统的控制研究为基础，提出了一种全新液压柔性机械臂的自适应鲁棒控制设计理论和方法，进行了系统控制的仿真和相关的实验研究。其主要研究工作内容是：分析柔性机械臂动力学特性，研究了假设模型法、有限元法和集中质量法等动力学建模方法；以反演控制设计为核心，针对电液伺服系统这一类同时存在不确定参数和不确定非线性模型的动力学系统，提出了自适应鲁棒控制设计方法，并进行了严格的理论推导和稳定性的证明，计算机的仿真分析验证了结论的正确性；单连杆柔性机械臂的运动学及动力学实验，表明了所提出的系统动力学模型及变结构滑模控制方法的正确性；在液压试验台进行的液压柔性机械臂等效动力学模型一一具有柔性载荷电液位置伺服系统的控制实验，验证了自适应鲁棒控制方法对其控制的可行性;研究了多连杆液压柔性机械臂系统中，液压缸与柔性臂之间的祸合作用问题，提出了“驱动Jacobian矩阵”(Drive Jacobian)的概念，算例分析给出其具体计算方法。根据液压柔性机械臂的结构特点，提出了二连杆液压柔性机械臂的有限元动力学模型及自适应鲁棒控制策略，通过计算机数字仿真分析，获得了满意的结果，该动力学模型的建立及控制方法可以扩展到相同结构的多连杆液压柔性机械臂;运用前面所提出的动力学建模和控制设计方法，完成了全自动树枝修剪机器人的设计。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-22
  1.1 柔性机械臂控制问题的提出  12-14
  1.2 柔性机械臂动力学模型的建立  14-15
    1.2.1 假设模型法  14
    1.2.2 有限元法  14-15
    1.2.3 集中质量法  15
  1.3 控制策略  15-18
  1.4 液压臂架(Hydraulic Cranes)的控制  18-19
  1.5 本论文选题意义及研究重点  19-21
  1.6 论文的组成  21-22
第二章柔性机械臂动力学模型的建立  22-41
  2.1 Euler-Bernoulli方程  22-27
    2.1.1 Euler-Bernoulli方程的推导  23-24
    2.1.2 特征根  24-25
    2.1.3 边界条件  25
    2.1.4 Euler-Bernoulli梁方程的解  25-27
  2.2 单连杆柔性机械臂动力学模型建立的假设模态法  27-29
  2.3 单连杆柔性机械臂动力学模型建立的有限元法  29-33
  2.4 单连杆柔性机械臂动力学模型建立的集中质量法  33-36
  2.5 三种建模方法的仿真比较  36-37
  2.6 柔性机械臂动力学系统非最小相位特性  37-40
  2.7 本章小结  40-41
第三章非线性系统的鲁棒控制  41-57
  3.1 变结构滑模控制  41-45
    3.1.1 基本概念  41
    3.1.2 滑模控制设计  41-42
    3.1.3 滑动模态可达条件  42-43
    3.1.4 等效控制  43
    3.1.5 连续时域的变结构滑模控制设计  43-44
    3.1.6 连续时域的变结构滑模控制的鲁棒性分析  44-45
  3.2 自适应控制  45-49
    3.2.1 基本概念  45-46
    3.2.2 非线性系统的自适应控制  46-49
    3.2.3 自适应控制的鲁棒性分析  49
  3.3 反演控制(Backstepping Control)  49-56
    3.3.1 概述  49
    3.3.2 基本定律及名词  49-50
    3.3.3 反演控制设计  50-54
    3.3.4 自适应反演控制设计  54-56
  3.4 本章小结  56-57
第四章液压伺服系统的自适应鲁棒控制  57-79
  4.1 概述  57-58
  4.2 系统动力学模型  58-60
  4.3 ARC控制的设计  60-69
    4.3.1 非连续映射  61-62
    4.3.2 设计步骤  62-69
  4.4 主要结论  69-71
  4.5 内模及零动力学系统  71-74
  4.6 仿真研究  74-78
    4.6.1 开环系统控制仿真  74-75
    4.6.2 闭环系统控制仿真  75-78
  4.7 本章小结  78-79
第五章液压缸和柔性机械臂的耦合分析  79-86
  5.1 驱动Jacobian矩阵的定义  79-81
  5.2 驱动Jacobian矩阵的计算  81-82
  5.3 算例分析  82-85
  5.4 本章小结  85-86
第六章多连杆液压柔性机械臂的控制  86-97
  6.1 概述  86
  6.2 系统动能和势能的分析  86-92
    6.2.1 连杆1的动能和势能  88-90
    6.2.2 连杆2的动能和势能  90-91
    6.2.3 端点集中载荷的动能和势能  91-92
    6.2.4 变形协调条件  92
  6.3 系统动力学方程  92-93
  6.4 仿真研究  93-96
  6.5 本章小结  96-97
第七章实验研究  97-113
  7.1 单连杆柔性机械臂的实验  97-106
    7.1.1 实验装置  97-98
    7.1.2 滑模控制器的设计及其实现  98-102
    7.1.3 实验结果  102-106
    7.1.4 实验误差分析  106
  7.2 具有柔性负载的液压伺服系统的控制实验研究  106-112
    7.2.1 实验装置  106-108
    7.2.2 系统动力学方程  108
    7.2.3 实验方案设计  108-109
    7.2.4 实验结果  109-112
    7.2.5 实验结论  112
  7.3 本章小结  112-113
第八章设计实例--全自动液压树枝修剪机械手的设计  113-120
  8.1 概述  113-114
  8.2 机械手逆向运动学的分析  114-117
  8.3 控制系统设计  117
  8.4 基于ADAMS的仿真分析  117-120
第九章全文结论  120-122
参考文献  122-130
致谢  130-131
攻读学位期间主要的研究成果  131

液压柔性臂的动力学及控制研究

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