構(gòu)件阻尼和運動副摩擦參數(shù)辨識的理論與實驗研究.pdf

1、構(gòu)件阻尼和運動副摩擦作為機械系統(tǒng)中耗散力的主要來源，對機械系統(tǒng)的減振降噪中起著重要作用，對這兩方面的分析準確與否都會對機械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真以及控制的效果產(chǎn)生直接的影響。本論文從機械系統(tǒng)中的構(gòu)件阻尼和運動副摩擦的辨識入手，研究了機械系統(tǒng)中兩種耗能元件的參數(shù)辨識方法。具體研究工作如下。 (1)在時不變參數(shù)模型法辨識定常阻尼的基礎(chǔ)上，引入信號處理中的矩形窗理論，提出了計算非線性阻尼的移動自回歸模型法、移動指數(shù)法和移動Prony法。根據(jù)

2、多次仿真及實驗，給出了矩形窗長度選擇的經(jīng)驗值，為三種方法更好地描述非線性阻尼關(guān)系曲線提供了保證。數(shù)值仿真中分析了三種方法的識別精度受白噪聲影響的程度，仿真結(jié)果表明三種方法均能有效地識別阻尼合金的非線性阻尼。 (2)將阻尼考慮為時變參數(shù)，在自回歸模型法和Prony法的基礎(chǔ)上，根據(jù)時變參數(shù)模型辨識理論，提出了辨識非線性阻尼的時變AR法和時變Prony法。分析了不同基函數(shù)對非線性阻尼辨識精度的影響，給出了基函數(shù)維數(shù)選擇的標準。

3、 (3)首次將時頻分析理論引入到非線性阻尼的辨識中來，提出了計算非線性阻尼的分段線性化的小波分析法和分段線性化的短時傅立葉變換法。仿真結(jié)果表明分段線性化的時頻分析理論可以用在非線性阻尼辨識中，分段線性化的小波變換的參數(shù)估計精度要高于分段線性化的短時傅立葉變換。 (4)開發(fā)了辨識阻尼合金材料非線性阻尼的實驗裝置。以鋁基和鋅基兩種阻尼合金為研究對象，設(shè)計并制作了非均勻應(yīng)力場試件和準均勻應(yīng)力場試件。分別采用自由響應(yīng)法和正弦掃頻激勵法進

4、行測試，利用本文提出的各種算法得出了兩種阻尼合金的損耗因子——應(yīng)變和損耗因子——頻率的非線性關(guān)系曲線，得出的準均勻應(yīng)力場下的非線性阻尼值更具合理性，為該合金的工程應(yīng)用提供了實驗支持。 (5)針對單自由度系統(tǒng)中阻尼和摩擦的參數(shù)辨識，引入移動矩形窗理論，提出了可以從自由響應(yīng)曲線中同時辨識非線性阻尼和庫侖摩擦的移動矩形窗法。通過對一個具有非線性阻尼和庫侖摩擦的單自由度振動系統(tǒng)的數(shù)值仿真，得到了令人滿意的結(jié)果。 (6)以庫侖+粘

5、性靜態(tài)摩擦模型為研究對象，從時域和頻域角度提出了摩擦模型的參數(shù)辨識理論及算法。以LuGre動態(tài)摩擦模型為研究對象，采用變尺度法和非線性最小二乘法辨識出了該模型的靜態(tài)摩擦參數(shù)。為了簡化動態(tài)摩擦參數(shù)的辨識難度，將粘著狀態(tài)下的摩擦力與預(yù)滑動位移的關(guān)系線性化處理，提出了動態(tài)摩擦參數(shù)的辨識方法。 (7)設(shè)計搭建了單自由度回轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)運動副摩擦參數(shù)辨識實驗裝置，進行了庫侖+粘性摩擦模型參數(shù)辨識的實驗研究。設(shè)計搭建了X-Y運動平臺實驗裝置，對

6、其運動副中的摩擦建立了LuGre摩擦模型，并針對摩擦參數(shù)辨識進行了實驗研究。驗證了摩擦參數(shù)辨識方法的可行性和有效性，為相關(guān)的摩擦研究提供了實驗基礎(chǔ)。 (8)以兩自由度機械手為研究對象，進行了基于庫侖摩擦和LuGre摩擦模型的分解加速度控制研究。設(shè)計了基于LuGre摩擦模型的摩擦觀測器，仿真結(jié)果表明了LuGre模型觀測器的正確性。通過對末端執(zhí)行器軌跡的跟蹤比較，得出了基于LuGre摩擦模型的控制補償對理論軌跡的逼近程度要好于基于庫