柔性多體系統(tǒng)建模與控制.pdf

1、隨著航天、機(jī)器人和高速機(jī)車等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，輕質(zhì)柔性材料在工程系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)運(yùn)行速度的不斷加快和精度要求的不斷提高，使傳統(tǒng)的基于多剛體動(dòng)力學(xué)的建模與控制理論難以滿足實(shí)踐需求，需充分考慮柔性部件的存在對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響，將系統(tǒng)建模為柔性多體系統(tǒng)。以現(xiàn)代柔性航天器和柔性機(jī)械臂為主要實(shí)際背景，柔性多體系統(tǒng)的建模與控制研究是當(dāng)前一個(gè)熱點(diǎn)問題。柔性多體系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、分布參數(shù)和時(shí)變等特點(diǎn)，對(duì)建模與控制提出了較高的要求。因

2、此開展柔性多體系統(tǒng)建模與控制研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的理論價(jià)值。 本文主要研究了柔性多體系統(tǒng)的建模與控制問題?；谌嵝远囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展，以具有hub-beam構(gòu)型的柔性多體系統(tǒng)為例，研究了傳統(tǒng)混合坐標(biāo)模型、一次近似耦合模型和近似線性化模型的精度和使用范圍，基于近似線性化模型、一次近似耦合模型分別研究了線性控制方法和非線性控制方法，構(gòu)建了仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)柔性多體系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)建模進(jìn)行了研究。 柔性多體系統(tǒng)剛

3、性大范圍運(yùn)動(dòng)與柔性變形之間的耦合本質(zhì)上是非線性的。混合坐標(biāo)法是目前應(yīng)用范圍最廣的建模方法，但是無法解釋系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)觀測到的動(dòng)力剛化現(xiàn)象，相應(yīng)地最近提出了一次近似耦合建模理論。本文首先研究了動(dòng)力學(xué)理論建模問題。以hub-beam構(gòu)型的柔性多體系統(tǒng)為例，對(duì)傳統(tǒng)混合坐標(biāo)法、動(dòng)力剛化和一次近似耦合建模方法分別進(jìn)行了論述，推導(dǎo)給出了三類模型的統(tǒng)一形式。研究比較了三類模型的模態(tài)特性和典型激勵(lì)下的響應(yīng)，對(duì)三類模型的精度和應(yīng)用范圍進(jìn)行了討論。

4、 對(duì)于運(yùn)行速度較低的柔性多體系統(tǒng)，忽略耦合非線性得到的線性化模型具有令人滿意的精度。本文第三章研究了以動(dòng)量輪為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的hub-beam構(gòu)型系統(tǒng)的線性控制問題。基于線性化耦合模型推導(dǎo)了動(dòng)量輪驅(qū)動(dòng)的hub-beam系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)提出了H<,∞>減振跟蹤控制方案，并轉(zhuǎn)化為H<,∞>標(biāo)準(zhǔn)問題框架進(jìn)行求解。在引入了柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制致動(dòng)器后，提出了自學(xué)習(xí)組合控制方案，對(duì)組合控制律和自學(xué)習(xí)律分別進(jìn)行了證明。在考慮剩余模態(tài)影響的條件下，通

5、過數(shù)值算例對(duì)兩類線性控制方案進(jìn)行了驗(yàn)證。 當(dāng)柔性多體系統(tǒng)運(yùn)行速度較高時(shí)，耦合非線性特征較顯著。本文第四章研究了柔性多體系統(tǒng)的非線性控制問題。首先針對(duì)一類非線性系統(tǒng)提出了反饋LPV化方法，給出了詳細(xì)討論和證明。隨后以運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)的hub-beam系統(tǒng)為例，基于一次近似耦合模型采用反饋LPV化方法，進(jìn)一步對(duì)得到的LPV系統(tǒng)設(shè)計(jì)線性狀態(tài)反饋控制律實(shí)現(xiàn)區(qū)域極點(diǎn)配置，并轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式約束下的凸優(yōu)化問題進(jìn)行求解。針對(duì)引入了壓電致動(dòng)器

6、的hub-beam系統(tǒng)，發(fā)展了一次近似耦合模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制律，考慮了剩余模態(tài)的影響，對(duì)壓電致動(dòng)器最優(yōu)配置進(jìn)行了討論。在考慮剩余模態(tài)影響的條件下，通過數(shù)值算例對(duì)兩類非線性控制方案進(jìn)行了驗(yàn)證。動(dòng)力學(xué)理論建模并根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正的建模方法在許多情形下是可行的。對(duì)于不能用理論方法進(jìn)行建模的情形，根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過辨識(shí)得到數(shù)學(xué)模型是較好的選擇。本文第五章研究了實(shí)驗(yàn)建模問題。首先構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)各部分原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行說