全弹性平面运动机器人的高精度运动控制和振动抑制算法研究

为实现对基座、关节和臂均存在弹性的空间机器人运动高精度控制及多重振动抑制,建立了基座、关节和臂全弹性空间机器人动力学模型,并采用运动有限维PD重复学习控制及振动同步抑制方案进行研究.首先,利用线性弹簧、扭转弹簧和欧拉-伯努力梁理论,假设模态法和动量守恒定律,采用拉格朗日方程建立了弹性基座、柔性关节和柔性臂空间机器人动力学模型,之后,选取反映柔性臂振动的前两阶模态及基座和关节刚性运动变量为慢变子变量,选取基座和关节弹性振动变量为快变子变量,根据奇异摄动理论将系统降维分解成慢、快变子系统.最后设计了慢变子系统的运动有限维PD重复学习控制及快变子系统的线性最优双重减振控制构成的总控制器.数值仿真结果验证了算法的有效性.     

基于流固耦合的锚索涡激振动抑制方法研究

悬浮隧道锚索的涡激振动会加剧锚索的疲劳破坏,进而影响悬浮隧道的使用寿命和安全.文章在海洋立管涡激振动抑制研究的基础上,考虑悬浮隧道锚索倾斜角度和来流方向的影响,采用流固耦合的数值方法,对整流罩方法和三控制杆方法的抑制效果进行了分析.结果表明,在顺来流方向,两种方法均具有良好的抑振效果;锚索有倾斜的情况下,三控制杆方法的效果会有所提升;但在来流方向改变时,整流罩方法具有较强的适应性.     

THE TRANSVERSE NONLINEAR FREE VIBRATION AND THE BUCKLING OF A COMPRESSIVE BAR ON AN ELASTIC FOUNDATION

基于Hamilton 原理,运用假设时间模态法,得到了弹性基础上压杆的横向非线性自由振动与屈曲的位移型常微分控制方程. 考虑一端固定另一端可移简支边界条件,采用打靶法得到了结构第一至第三阶结构频率与一阶屈曲载荷的数值结果. 结果表明：随轴心压力增加,结构频率减小;随弹性基础刚度增加,结构频率与屈曲载荷均增加;弹性基础刚度对结构频率的影响随振型阶数增加在减小;在小振幅的情形下,不同振型对一阶屈曲载荷的影响很小.     

单跨架空索道货物脱钩跳跃弦振动响应分析

以单跨全悬增力式架空林业集材索道为例,研究在货物脱钩等突发情况下,承载索因积蓄的弹性能瞬间释放而产生自由振动. 基于弦振动理论,建立了在指定位置脱钩的悬索振动方程,分析了脱钩工况下悬索振动固有频率、周期、波长等特征参数及主振动、自由振动、总能量等响应变化规律,并以三维图形进行直观表征与分析. 说明了脱钩振动分析对林业架空索道的安装设计、技术改进与使用安全规程的指导意义.     

柔性关节-柔性臂空间机器人的神经网络自适应反演控制及双重柔性振动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节。由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够。为此探讨了参数未知柔性关节-柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、轨迹跟踪控制算法设计和关节、臂杆双重柔性振动的主动抑制问题。首先,采用多体动力学建模方法并结合漂浮基空间机器人固有的线动量和角动量守恒动力学特性,推导了系统的动力学方程。以此为基础,考虑到空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入一种关节柔性补偿控制器解决了传统奇异摄动法应用受关节柔性限制问题,导出了适用于控制系统算法设计的数学模型。然后,利用该模型,基于反演思想在慢时标子系统中设计神经网络自适应控制算法来补偿系统参数未知和柔性关节引起的转动误差,实现系统运动轨迹跟踪性能;针对快时标子系统,设计了鲁棒最优控制算法抑制因柔性关节及柔性臂引起的系统双重弹性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真对比实验验证了所设计控制算法的有效性。     

FREE VIBRATION OF A SIMPLY SUPPORTED BEAM UNDER A NON-CONSERVATIVE DISTRIBUTED LOAD

对受非保守载荷的简支梁在后屈曲附近的自由振动进行了研究. 基于可伸长梁的大变形理论,建立了受沿轴线分布切向非保守力作用的简支梁后屈曲附近自由振动的几何非线性模型. 在小振幅和谐振动假设下,简化得到后屈曲梁线性振动的控制方程. 采用打靶法求解振动问题的控制方程,给出了前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线. 结果表明：非保守载荷作用下梁的振动响应与保守载荷作用下梁的振动响应有着明显不同.     

Active sloshing control in a smart flexible cylindrical floating roof tank

An exact three dimensional fully-coupled hydro-elastic analysis for transient liquid sloshing in a partially-filled vertically-standing flexible circular cylindrical shell container fitted with a freely floating smart piezo-sandwich thin elastic circular plate is presented. The problem formulation is based on the linear water wave theory, the classical (Kirchhoff/Sanders) thin plate and shell models, Maxwell's equations of electrodynamics, Stokes’ transformation, and eigen-function expansions in cylindrical coordinates. The control action is achieved by combined volume displacement and volume velocity feedbacks (VDF, VVF) implemented in a second order active damping (AD) compensator via two competent evolutionary heuristic optimization techniques that systematically tune the controller gain parameters while constraining the floating panel displacement and control voltage. The uncontrolled and controlled transient responses of the coupled hydro-elastic system under various external disturbances (i.e., a harmonic base excitation, a real seismic event, a severe launch vehicle liftoff event, and a distributed impulsive transverse load on the floating panel) are calculated by means of Durbin's numerical inverse Laplace transform scheme. Moreover, the free vibration characteristics of the coupled fluid/structure interaction (FSI) system are briefly studied. The superior performance of the proposed active floating roof control configuration in effective suppression of the key hydro-elastic parameters (panel displacement, and shell displacements/stresses) is demonstrated. It is also found that, in the current FSI control problem, the Multi-objective Particle Swarm Optimization (MOPSO)-based ADC outperforms the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II)-based method, in terms of convergence rate and computational effort. Limiting cases are examined and the precision of results is verified by comparisons with the existing data as well as with the results produced by a commercial finite element package.     

浮筏多通道协调振动主动控制实验研究

在浮筏上引入主动吸振器可以有效地改善其低频减振性能.建立了带有4个主动吸振器的浮筏振动主动控制实验系统;以提高系统低频减振性能为目标,研究了4个主动吸振器的协调控制问题.首先,通过实验建模获得系统的时域脉冲序列模型;在此基础上设计了基于多通道滤波x-最小均方(Least Mean Square,LMS)算法的自适应前馈控制律;最后,在实验系统上进行了4个目标点的多通道协调主动吸振控制实验,在15～25Hz频段内基本上都取得了15dB以上的主动减振效果.实验结果证明了多吸振器协调主动控制对提高浮筏低频减振能力的有效性.     

漂浮基柔性关节空间机器人自适应滑模运动控制及振动主动抑制

讨论了关节柔性且系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制算法设计及系统柔性振动的主动抑制问题。利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日法对系统动力学进行分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统和表示系统柔性运动部分的快变子系统。针对慢变子系统提出了一种自适应滑模控制算法。该控制算法是由基于滑模面的等效控制项、自适应控制项和PID反馈控制项组成。因此,它集合了滑模控制、自适应算法和PID技术的优点,且弥补了三种算法各自的缺点。该控制算法能够有效地补偿系统的转动误差和不确定参数,提高控制系统的精度。针对快变子系统,提出基于速度差值的反馈控制算法来抑制柔性关节引起的系统柔性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真实验证明了提出的混合控制算法的有效性。     

全柔性空间机器人运动振动一体化输入受限重复学习控制

探究基座、臂、关节全柔性影响下空间机器人动力学模拟、运动控制及基座、臂、关节三重柔性振动主动抑制的问题, 设计了不基于系统模型信息的运动振动一体化输入受限重复学习控制算法. 将柔性基座与关节等效为线性弹簧与扭转弹簧, 柔性臂视为欧拉-伯努利梁模型, 利用拉格朗日方程与假设模态法建立动力学模型, 然后, 用奇异摄动理论将模型分解为包含刚性变量与臂柔性振动的慢变子系统, 包含基座、关节柔性振动的快变子系统, 并分别设计相应的子控制器, 构成了带关节柔性补偿的一体化控制算法. 针对慢变子系统, 提出输入受限重复学习控制算法, 由双曲正切函数, 饱和函数与重复学习项构成, 双曲正切函数与饱和函数实现输入力矩受限要求, 重复学习项补偿周期性系统误差, 以完成对基座姿态、关节铰周期轨迹的渐进稳定追踪. 然而, 为了同时抑制慢变子系统臂的柔性振动, 运用虚拟力的概念, 构造同时反映臂柔性振动与系统刚性运动的混合轨迹, 提出了基于虚拟力概念的输入受限重复学习控制器, 保证基座、关节轨迹精确追踪的同时, 对臂的柔性振动主动抑制. 针对快变子系统, 采用线性二次最优控制算法抑制基座与关节的柔性振动. 仿真结果表明: 控制器适用于一般柔性非线性系统, 满足输入力矩受限要求, 实现对周期信号的高精度追踪, 有效抑制基座、臂、关节的柔性振动, 证实算法的可行性.      

MODEL EXPERIMENT ABOUT RESPONSE OF FLOATING ICE SHEET SUBJECTED TO MOVING AIR CUSHION VEHICLE

基于弹性薄板振动微分方程和相似理论,建立了气垫船在浮冰上运动的原型系统与模型系统参数之间的相似对应关系. 导出了浮冰层自由振动波形传播的相速度和群速度计算公式,明确了相速度的极小值和浅水波传播速度即为气垫船的第一、第二临界速度. 根据研制的高精度非接触式激光位移测量系统,在变水深拖曳水槽中, 开展了不同速度移动气垫载荷激励薄膜变形响应的系列实验,证实了存在使薄膜变形达到最大的移动气垫载荷临界速度. 第一临界速度使气垫载荷之后的薄膜产生最大的下陷变形,第二临界速度使气垫载荷之前的薄膜产生最大的上凸变形. 通过实验结果进一步分析了气垫速度、高度、压力及水深等参数对薄膜变形和临界速度的影响,揭示了移动气垫载荷激励薄膜变形响应的聚能共振增幅机理,为利用气垫船实施有效破冰提供了依据.     

反共振流体浮筏的隔振特性研究

基于反共振原理, 设计了一种新型的流体浮筏隔振器. 应用流体动量方程和结构振动理论推导了该隔振器的数学模型, 分析了其隔振特性, 得到了最优隔振频率和浮体浸入流体深度的关系式. 仿真结果表明, 当浮体浸入流体深度在有限的范围内变化时, 新型隔振器会在从低频到高频的宽带内发生反共振现象. 反共振条件下的力传递率可降至极低水平.流体浮筏隔振器具有很好的(尤其是低频)隔振效果.     

ANALYSIS OF GROUND VIBRATION CONTROL BY GRADED WAVE IMPEDING BLOCK

波阻板（wave impeding block，WIB）隔振体系是一种有效的振动污染治理措施，虽逐渐被应用在工程实际中，但以往的研究多集中于单相固体均质材料的情形，而对材料特性沿空间连续变化的非均匀固体材料的波阻板隔振性能的研究相对较少.基于功能梯度材料（functionally graded material，FGM）特点，本文提出了以功能梯度波阻板作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系.考虑在弹性地基内部设置梯度波阻板，基于线弹性理论，利用傅里叶积分变换，根据Helmholtz矢量分解原理，建立了弹性地基在动载荷作用下的回传射线矩阵法（reverberation ray matrix method，RRMM）计算列式.假设梯度波阻板的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化，采用数值傅里叶逆变换获得了弹性地基的位移和应力等物理量的数值解.通过数值算例，与单相固体均质波阻板进行了对比，并分析讨论了梯度波阻板的材料梯度因子、埋深以及梯度波阻板厚度等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律.结果表明，梯度波阻板能有效降低振动的振幅，与单相固体均质波阻板相比，梯度波阻板具有更好的减振隔振效果.地基的位移幅值和应力幅值随着梯度因子的增大而减小.梯度波阻板的隔振效果随着波阻板厚度的增大而提高，而随着梯度波阻板埋深的增大而降低.     

移动车辆作用下弹性基础无限长梁的动力响应

通过坐标变换方法,研究了匀速移动的车辆对弹性基础无限长梁的动力响应,给出了位移和内力的计算方法,将车辆简化为移动力,移动质量,移动的振动质量三种模型,比较了它们对梁的影响,对某型带式舟桥的数值分析表明,振动质量模型较合理,给出了浮桥计算时,动力放大系数的建议值     

条带式太阳帆的结构动力学分析

依靠光压推进,太阳帆被认为是最可行的星际探测航天器,太阳帆结构总体方案主要有两类:桅杆式和旋转式,其中,帆膜被分割成窄条的条带式太阳帆在桅杆式太阳帆中具有较为理想的结构效率,如何准确计算条带式太阳帆的结构动力学特性值得研究.本文对条带式太阳帆结构的振动特性和结构稳定性进行研究,将太阳帆看作是由若干个桅杆-膜带组件依次连接而成的整体结构,桅杆-膜带组件由4根桅杆段和4条薄膜条带组成,分段轴压作用下的桅杆与薄膜条带耦合振动.考虑帆面薄膜条带与支撑桅杆之间的耦合振动,采用分布传递函数法建立了的条带式太阳帆的结构动力学模型,推导了条带式太阳帆结构自由振动和失稳载荷的求解方法.研究表明:条带式太阳帆构型有利于提高太阳帆结构的整体刚度和结构稳定性,随着帆面薄膜条带数目的增加,太阳帆结构的振动频率和失稳载荷增大;随着帆面薄膜预应力的增大,太阳帆结构振动的基频减小,稳定性变差;随着支撑桅杆刚度的提高,太阳帆结构整体的振动频率和失稳载荷增大.本文建立的解析求解方法具有求解效率快和精度高的特点,为条带式太阳帆的结构设计和姿态控制提供了有力的分析工具.      

漂浮基柔性空间机器人的鲁棒控制及振动抑制

讨论了漂浮基柔性空间机器人系统的动力学建模、运动控制算法设计以及关节、臂双重柔性振动的分级主动抑制问题. 利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,建立系统动力学方程. 基于奇异摄动法,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统, 表示由柔性臂引起的系统柔性运动部分的快变子系统1和表示由柔性关节引起的系统柔性运动部分的快变子系统2. 针对慢变子系统提出一种鲁棒控制方法来补偿系统参数的不确定性和柔性关节引起的转动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;针对快变子系统1采用线性二次型最优控制器来抑制由柔性臂引起的系统柔性振动;针对快变子系统2设计了基于机械臂和电机转子的转角速度差值的反馈控制器来抑制由柔性关节引起的系统柔性振动. 因此,系统的总控制律为以上3个子系统控制律的综合. 最后通过仿真实验证明了所提出的混合控制方法的有效性.     

浮筏的主动吸振控制实验研究

浮筏在低频减振方面存在较大不足,而这恰是主动减振的优势.将两者相结合,研究了浮筏的主动吸振控制问题.研制了一种主动吸振器,建立了以DSP F2812为核心的控制系统;提出了符号LMS算法,与广泛使用的滤波x-LMS等算法相比,该算法不需要精确的模型信息;在此基础上设计了自适应前馈主动吸振控制律,并在浮筏实验平台上进行主动吸振控制实验.实验结果表明,通过主动吸振控制,浮筏的低频减振能力得到了显著的改善.     

环形薄板二维驻波的研究

在理论上和实验上对环形薄板二维驻波波节图形(克拉尼图形) 进行了研究. 通过在极坐标下对垂直板面方向小振动方程进行分离变量, 求解出环形薄板小振动方程在外边界悬空时分别在两种内边界条件, 即内边界悬空和内边界简支下的解析解的简正模式, 并计算了在第一种边条件下几种共振模式的径向波速近似值, 以及两种边条件下的圆形驻波波节线的半径和薄板的弹性模量. 发现通过调节环形薄板上点振动源的频率, 可精确控制薄板上出现的克拉尼图形. 实验上观察到了仅有圆形波节线, 仅有辐射状波节线, 以及两种波节线同时存在3 种简正模式的情形, 且波节线的数量可严格控制. 理论结果跟实验符合得很好.     

THERMOELASTIC VIBRATION OF FLUID-CONVEYING MICROTUBES EMBEDDED IN ELASTIC MEDIUMS

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

FREQUENCY-SHAPING LQR CONTROL OF WHOLE-SPACECRAFT VIBRATION ISOLATION PLATFORM BASED ON MR DAMPER1)

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR (linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.