多关节机械臂系统非线性动力学分析

针对工程机械臂的非线性振动,研究了系统因周期运动失稳而产生Hopf分岔问题．工程机械臂在建模时往往忽略非线性因素,然而在特殊场合下非线性的影响不可忽略,本文利用拉格朗日法建立了新的非线性两关节机械臂系统的两自由度动力学方程,采用多尺度法对机械臂系统模型进行了求解,对系统发生主共振时的动力学行为进行了分析讨论．结果表明所求得的近似解析解与数值解具有较好的吻合性,同时由于系统方程中非线性项的影响,随着激励幅值与激励频率的变化,系统的振幅会发生跳跃,出现动态分岔现象．本研究为实际工程应用提供了一些理论依据和指导．     

空间机械臂非线性动力学及控制

本文建立空间机械臂系统非完整约束方程及非一性动力学方程。利用逐次近似法讨论了机械臂结构弹性对负载位姿的影响，提出消除弹性影响的控制方法。运用Ｐｏｎｔｒｙｕａｇｉｎ极值原理寻求最小控制力矩及抑制弹性振动的控制规律，数值模拟结果表明本文提出方法的有效性。     

多尺度法的设解形式之探讨

当采用多尺度法研究非线性振动问题时，经常会遇到不同情形下系统响应的设解形式不同的问题，不同的设解形式得到的结果是否相同，用哪种设解形式更为好一些，在其他文献中尚未见到有关讨论．本文针对一类具有平方和立方非线性项的单自由度和多自由度非线性系统，得到不同设解形式下的一次近似解和二次近似解，并与数值解相比较，发现两种设解形式的近似解与数值仿真解的解曲线吻合的很好，表明传统的各种设解形式在研究弱非线性系统时都有很好的近似性。     

多尺度法的推广及在非线性黏弹性系统的应用

黏弹性材料在航空、机械、土木等领域具有广阔的应用前景,而具有1.5自由度的非线性Zener模型能更好地描述其特性.因此,研究多尺度法的推广和应用具有重要意义.在传统多尺度法的基础上,推广并利用多尺度法对非线性奇数阶微分方程进行研究,解决非线性奇数阶系统的动力学求解问题.以非线性Zener模型为例,首先通过推广的多尺度法...     

保守系统弱非线性振动问题的插值摄动解法

用插值摄动法求得了一类保守系统奇次弱非线性振动问题的一级近似解，精度好，甚至比多尺度法还更好，计算过程简单。     

弹性关节空间机械臂级联智能滑模控制

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在空间机器人关节系统中,以获取高减速比．但同时这些柔性元件的存在为空间机械臂系统引入了关节柔性,使得对其稳定控制变得更为复杂．基于此,文中讨论了基于自适应回归小波神经网络(Self-Recurrent Wavelet Neural Networks, SRWNN)的弹性关节空间机械臂系统动力学建模及级联智能滑模控制．首先,利用级联系统理论及第二类拉格朗日方法推导出了由外环刚性臂子系统和内环关节电机转子子系统组成的系统级联动力学模型;其次,为两个子系统分别设计了内、外环自适应滑模回归小波神经网络控制．外环控制算法以期望轨迹为控制量,而其控制信号作为抑制弹性关节振动的内环控制算法的控制量,整个控制系统由内、外环控制系统叠加而成;而后,基于Lyapunov稳定性理论证明了整个控制系统的稳定性并设计了自适应回归小波神经网络的各权值参数在线学习算法．所提的控制算法有效地消除了模型不确定的影响,避免了复杂的求导计算和角加速度可测的要求,同时,控制系统设计过程中未涉及惯常奇异摄动双时标分解操作,在理论上适合任意大小的关节柔性刚度．最后,系统对比仿真试验证明了所提的级联智能控制算法优于惯常基于奇异摄动法和基于柔性铰补偿奇异摄动法的控制方案．     

时滞非线性主动悬架系统的减振控制研究

将时滞状态反馈控制应用到非线性悬架系统中,实现对悬架系统的主动控制以达到减振的目的;建立了1/4车辆非线性主动悬架系统的力学模型,其中弹性力和阻尼力均含非线性项;运用多尺度法对量纲归一化数学模型进行解析计算,推出一种研究非线性时滞系统稳定性的方法;研究了时滞状态反馈控制参数对主动悬架系统减振效果的影响,综合考虑车身振幅...     

基座弹性影响下空间机械臂的轨迹跟踪控制及弹性振动主动抑制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置无控、姿态受控的漂浮基空间机械臂惯性空间轨迹跟踪控制及基座弹性振动主动抑制问题。由系统位置几何关系及动量守恒关系,建立了系统运动Jacobi 关系;之后利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系建立了系统动力学方程。基于奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将该方程分解为描写系统刚性运动的慢变子系统与描写系统弹性振动的快变子系统。对慢变子系统设计了基于计算力矩法的轨迹跟踪控制器;对于快变子系统则设计了线性二次最优控制方案。数值仿真证实了提出的控制方法的有效性。     

非线性弹性地基上矩形薄板受双频参数激励作用的非线性振动

应用弹性理论和Galerkin方法建立小挠度矩形薄板在非线性弹性地基上受两对均布纵向简谐激励作用的双模态非线性动力学方程。应用多尺度法求得系统满足双频主参数共振条件的一次近似解和对应的定常解,并进行了数值计算。分析了阻尼系数、地基系数、几何参数等对系统双频主参数共振的影响。     

漂浮基空间机械臂关节轨迹跟踪的增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题.基于增广变量法,解决了空间机械臂系统的控制方程关于系统惯性参数的非线性化问题;保持了控制方程关于系统惯性参数的线性关系.在此基础上,针对系统载荷参数不确定的情况,提出了关节空间轨迹追踪的增广鲁棒控制方法,并应用Lyapunov直接方法证明了提到的控制方案能使系统满足渐近稳定性条件.通过仿真运算,证实了方法的有效性.     

柔性机械臂的时滞最优跟踪控制

采用最优跟踪控制方法对柔性机械臂线性化主动控制中的时滞问题进行研究。首先采用一种积分变换,将包含时滞项的动力学方程转换成形式上不包含时滞项的标准形式,然后根据最优跟踪控制理论设计控制律。在每一步控制律的计算中,不但包含有当前步的状态反馈,而且包含有前若干步控制的线性组合。文中还给出了一个模态坐标的提取方法。仿真结果显示,若对时滞不处理,控制系统会在很小时滞量时出现发散;当控制系统中的时滞量不大时,本文的线性化时滞控制设计能够取得较好的控制效果;当系统存在较大时滞量时,线性化时滞控制设计的有效范围是有限的。     

求解非线性振动问题的一种新方法

首先把描述非线性振动的微分方程归结为一非线性积分微分方程，然后把此积分微分方程的求解转化为一无穷阶的非线性代数方程组的求解。从理论上讲，可得到满足任何精度要求的周期解。本文用此方法对Ｄｕｆｉｎｇ系统进行了分析。     

Development of a Robust Nonlinear Observer for a Single-Link Flexible Manipulator

Accurate measurements of all the state variables of a given system are often not available due to the high cost of sensors, the lack of space to mount the transducers or the hostile environment in which the sensors must be located. The purpose of this study was to design a robust sliding mode observer that is capable of accurately estimating the state variables of the system in the presence of disturbances and model uncertainties. It should be emphasized that the proposed observer design can handle state equations expressed in the general form. The performance of the nonlinear observer is assessed herein by examining its capability of predicting the rigid and flexible motions of a compliant beam that is connected to a revolute joint. The simulation results demonstrate the ability of the observer in accurately estimating the state variables of the system in the presence of structured uncertainties and under different initial conditions between the observer and the plant. Moreover, they illustrate the deterioration in the performance of the observer when subjected to unstructured uncertainties of the system. Furthermore, the nonlinear observer was successfully implemented to provide on-line estimates of the state variables for two model-based controllers. The simulation results show minimal deterioration in the closed-loop response of the system stemming from the usage of estimated rather than exact state variables in the computation of the control signals.Contributed by Professor R. A. Ibrahim.     

柔性机械臂振动抑制的混合控制

提出柔性机械臂末端振动主动控制的一个混合方法。该方法由整形技术(Inptlt shaping Technique-IST)和压电作动器(PZT)的联合作用对机械臂的振动进行控制。IST作为前馈控制技术通过一个序列脉冲和输入扭矩的卷积来抑制机械臂的残留振动。然而，当IST的脉冲作用时间位置不够准确时，将降低机械臂的定位性能。为了提高柔性机械臂的定位精度，对于因脉冲不精确或建模不准所引起的残留振动，由PZT、进行抑制。作用在PZT上的控制电压由线性二次最优调节器(LQR)确定。动态仿真显示，提出的方法不仅对机械臂的振动抑制具有鲁棒性，而且使得PZT、上的控制电压比单独使用PZT进行振动抑制时降低了50％以上，这是非常有利的。     

Effect of External Excitations on a Nonlinear System with Time Delay

The trivial equilibrium of a two-degree-of-freedom autonomous system may become unstable via a Hopf bifurcation of multiplicity two and give rise to oscillatory bifurcating solutions, due to presence of a time delay in the linear and nonlinear terms. The effect of external excitations on the dynamic behaviour of the corresponding non-autonomous system, after the Hopf bifurcation, is investigated based on the behaviour of solutions to the four-dimensional system of ordinary differential equations. The interaction between the Hopf bifurcating solutions and the high level excitations may induce a non-resonant or secondary resonance response, depending on the ratio of the frequency of bifurcating periodic motion to the frequency of external excitation. The first-order approximate periodic solutions for the non-resonant and super-harmonic resonance response are found to be in good agreement with those obtained by direct numerical integration of the delay differential equation. It is found that the non-resonant response may be either periodic or quasi-periodic. It is shown that the super-harmonic resonance response may exhibit periodic and quasi-periodic motions as well as a co-existence of two or three stable motions.     

一种求解柔性多体系统动力学方程的新方法

柔性多体系统控制方程是具有stiff性质的刚柔耦合非线性代数一微分方程组,本文提出了一种求解该类刚性方程组的数值方法,在每一时间步,利用Newmark-β直接积分法计算迭代初值,基于控制方程及约束方程的泰勒展开,推导出Newton-Raphson迭代公式,对位移及拉格朗日乘子进行修正,最后,引用Blajer提出的违约修正方法对数值积分过程中约束方程的违约进行修正。就两个典型算例进行了数值仿真,结果证明了本文方法的有效性。     

时滞对结构振动半主动控制效果的影响

应用磁流变阻尼器对结构振动进行控制，采用最优控制原理设计了控制器，给出在地震激励下结构半主动控制的仿真计算。研究了时滞对结构振动半主动控制效果的影响。数值结果表明：本文设计的半主动控制策略可有效地减小结构的振动响应，时滞对磁流变半主动控制效果随着时滞的增大而变差，但时滞不会导致该反馈控制系统的失稳。     

Continuation of Approximate Transformation Groups via Multiple Time Scales Method

Recently, the theory of approximate symmetries was developedfor tackling differential equations with a small parameter. This theoryfurnishes us with a tool, e.g. for constructing approximate groupinvariant solutions. Usually, these solutions are determined by powerseries in the small parameter and hence they are well defined only in asmall region of independent variables. In this paper, we modify theapproximate symmetry analysis by combining it with the multiple timescales method. In this way, we can extend the domain of definition ofapproximate symmetries of differential equations with a small parameterand of their invariant solutions. The method is illustrated by the vander Pol equation. It is shown that, in this example, our approachprovides a group theoretical background of ad hoc methods widelyused in perturbation techniques.     

深海采矿柔性立管系统非线性有限元模拟

在海洋环境载荷及集矿机牵引作用下,深海采矿柔性立管系统的动力学响应涉及几何非线性和非保守载荷的双重非线性源.基于三维固体有限变形理论建立数学模型,在完全拉格朗日格式下推导了系统运动平衡方程,针对非保守载荷的等效计算、非线性切线刚度矩阵及非线性方程的数值求解等关键问题提出了有效处理方案.根据处理方案开发了数值计算程序,并...     

Energy Method for Approximate Periodic Solution of Strongly Nonlinear Nonautonomous Systems

In this paper, based upon the concept of the conservation of average energy, a theorem for the periodic solution of strongly nonlinear nonautonomous systems is proved. By using this theorem not only the necessary and sufficient conditions for the existence and stability of the periodic solutions can be obtained but, at the same time, the approximate expressions for those periodic solutions can also be obtained.