机械臂臂杆刚度主动控制下的末端振动特性研究

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.      

主动约束层阻尼振动控制研究进展

主动约束层阻尼(Active Constrained Layer Damping, ACLD)是以可控的压电材料代替被动约束层中不可控的约束层,通过可控的约束层主动地控制黏弹性材料的剪切变形以进一步增大其对振动能量耗散的主动阻尼形式,它充分结合了主动控制与被动阻尼作用各自的优势,使得其在结构振动控制方面显示出极好的应用价值.本文首先解释了ACLD的基本结构和阻尼机理,然后综述了最近几年有关ACLD在结构建模,控制方案及结构优化等方面的最新研究进展,最后指出了应用前景并总结了进一步研究的问题.      

DYNAMICAL CONTROL OF STABILITY FOR BIRKHOFFIAN SYSTEM$^{\bf 1)}$

本文研究 Birkhoff 系统和广义 Birkhoff 系统平衡稳定性的动力学控制. 首先建立系统的运动方程和平衡方程. 其次,研究 Birkhoff 系统中控制参数出现在 Birkhoff 函数中平衡稳 定性的动力学控制. 方法是通过选取控制参数使得 Birkhoff 函数 $B$ 成为定号函数,而其时间导数 $\dot {B}$ 为与 $B$ 反号的常号函数. 再次,研究广义 Birkhoff 系统平衡稳定性的动力学控制,通过选取 Birkhoff 函数或附加项中包含控制参数的方法,使得 Birkhoff 函数是定号函数,而其时间导数为反号的常号函数,从而控制系统的平衡稳定性. 最后举例说明结果的应用.     

DYNAMICS MODELING,SIMULATION, AND CONTROL OF ROBOTS WITH FLEXIBLE JOINTS AND FLEXIBLE LINKS$^{\bf 1)}$

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.     

BUFFER AND COMPLIANT DYNAMIC SURFACE CONTROL OF SPACE ROBOT CAPTURING SATELLITE BASED ON COMPLIANT MECHANISM$^{\bf 1)}$

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了上述缓冲从顺控制策略的正确性.     

虚伪阻尼因子法在梁振动主动控制中的应用

本文研究了弹性梁在移动载荷作用下振动的主动控制,根据振动系统的特点提出了虚伪阻尼因子法.使用此方法可以方便求得黎卡提方程的初始迭代阵,以它进行迭代能保证计算稳定和快速收敛.文中还进一步讨论了主动控制的机理,计算了控制系统的响应,结果表明主动控制系统的响应优于被动控制.     

DYNAMIC RESPONSE OF SATURATED POROUS ELASTIC FOUNDATION UNDER POROSITY ANISOTROPY$^{\bf 1)}$

由于不同的沉积条件和应力状态, 天然土体通常表现出一定的各向异性特征. 文章研究地基上表面受温度载荷和机械载荷时, 孔隙率各向异性参数变化对饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Lord-Shulman广义热弹性理论, 结合孔隙率各向异性基本假设, 建立了孔隙率各向异性饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应模型, 利用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度分布的解析表达式并加以图示. 正则模态法是一种利用加权残差求得解析解的方法, 相较于其他方法能快速求解偏微分方程. 当孔隙率各向异性参数为1时, 可将该各向异性耦合动力响应模型退化为热-水-力耦合动力响应模型验证该地基模型的合理性. 着重分析了孔隙率各向异性参数变化对不同物理量的影响. 结果表明: 孔隙率各向异性参数变化对物理量均有一定影响. 在地基上表面受温度载荷作用时, 对超孔隙水压力和竖向应力影响最为明显; 在地基上表面受机械载荷作用时, 对超孔隙水压力和温度影响明显. 整体而言, 无论地基上表面受何种载荷, 随着各向异性参数增大, 峰值逐渐减小, 在地基深度增加方向峰值所在位置向靠近地基上表面方向移动.     

RESEARCH ON ELECTROMAGNETIC RADIATION DURING THE EXPLOSION PROGRESS OF COMPOSITION B EXPLOSIVES$^{\bf 1)}$

炸药爆炸过程中产生明显的电磁辐射干扰在很多领域引起了重视, 爆炸产生电磁辐射的机理和理论模型都不成熟, 实验仍然是研究这一现象的重要手段. 本文设计了不同质量的B炸药爆炸电磁辐射实验, 测量了爆炸整个过程中不同时刻的电磁辐射信号. 通过小波分析方法对实测信号进行处理, 得到真实信号和信号的时频特点, 小波分析得到真实信号的频谱主要分布在0$\sim$50 kHz. 利用自主开发的EXPLOSION-3D软件对实验工况进行数值模拟, 得到爆炸过程不同时刻流场的特点. 对比实验结果和数值模拟结果得出: 第一个脉冲信号是由B炸药爆轰产生的高温高压等离子体直接产生的电磁脉冲; 第二个脉冲信号是由地面反射的冲击波追上前沿冲击波, 空气冲击波阵面处形成的等离子体产生的电磁脉冲; 第三个脉冲信号是冲击波撞击测量线圈引起的无效信号. 其中, 第一个电磁脉冲幅值与当量的1/3次方基本呈线性关系, 其到达时间对炸药药量不敏感; 第二个电磁脉冲出现的时间与炸药的当量成指数关系, 药量越大, 出现时间越晚. 通过对第二个脉冲信号的分析, 得出了冲击波反射形成电磁脉冲信号时的爆炸波流场特征, 为后续相关理论机理研究提供了验证数据.     

可控挤压油膜轴承主动控制转子系统振动

本文提出了“可控挤压油膜轴承”,以主动控制转子系统的振动,设计了不同的可控挤压油膜油承方案,借稳态不平衡响应构成的二次目标函数,分析比较了它们的振动控制效果,根据这一研究,可初步得到如下结论:对于航空发动机,可控挤压油膜轴承极有希望成为一种更有效的振动控制方法。     

压电自感知悬臂梁振动的主动控制研究

利用压电片的正逆压电效应,提出了一种基于分时结构的自感知作动器,将压电片作为传感器和作动器的功能在时间上进行分离,以实现用同一压电片在作动与传感之间的功能切换,并探讨了其用于主动控制的可行性.对一悬臂梁的振动主动控制研究表明该自感知作动器在实际上是可行的.     

ANALYSIS OF FRICTION INDUCED VIBRATION UNDER THE ACTIVE DISTURBANCE REJECTION CONTROL FRAMEWORK 1)

自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)是一种具有两自由度控制结构的工程化方法, 由于其能够直观有效地处理多种扰动, 近些年来在许多机电系统上得到了成功应用. 当采用ADRC对带有摩擦力的机电系统进行调节时, 可能会产生极限环振动. 目前, 还没有ADRC框架下摩擦力振动精确分析的相关工作. 因此, 本文采用非线性动力学系统的分析工具对这一问题进行研究. 首先, 考虑两种典型摩擦力模型, 静态切换模型和动态LuGre 模型, 对一类二阶运动系统设计不同阶次的ADRC, 得到控制器的等效形式, 并揭示出与比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制之间的联系. 然后, 采用打靶法结合拟弧长延拓方法求解系统中的极限环, 并根据Floquet理论判断极限环的稳定性、可能出现的分岔以及分岔类型. 此外, 通过雅克比矩阵和近似数值方法对系统平衡点集的局部稳定性进行了分析. 最后, 通过数值计算研究了摩擦力模型和参数、ADRC阶次和参数对极限环和平衡点集的影响. 计算结果表明, 决定摩擦力Stribeck效应负斜率的参数$\beta$作用较大. 当$\beta>1$时, 两种摩擦力模型下的闭环系统呈现出相同的特性, 极限环会出现环面折叠分岔(cyclic fold bifurcation, CFB)且平衡点集是局部稳定的. 然而当$\beta<1$时, 两种闭环系统呈现出完全不同的特性. 此外, 不同阶次的ADRC在极限环的存在性和稳定性、平衡点集的稳定性上面的结论是相同的, 而低阶次的ADRC能够更好地解决摩擦力补偿和稳定鲁棒性之间的矛盾问题. 这些结论对实际现象的理解、ADRC阶次的选择以及参数整定提供了一定指导.     

ROLL CHARACTERISTICS OF ALL-TERRAIN VEHICLE BASED ON CROSSING DOUBLE AIR CHAMBER PNEUMATICALLY INTERCONNECTED SUSPENSION$^{\bf 1)}$

设计了一种采用囊式空气弹簧的交叉型双气室空气互联悬架 (PIS 悬架),并应用于侧翻事故发生率极高的全地形车上. 建立了交叉型双气室气体耦合 AMEsim 模型与全地形车整车动力学 ADAMS/Car 模型,通过将前者模型中的空气弹簧弹性力作为整车动力学模型的输入变量,将后者模型中的空气弹簧压缩伸张位移作为气体耦合模型的输入变量,建立了完整的机械-气体耦合多自由度动力学联合仿真模型. 通过 J 型弯高速典型仿真实验对搭载 PIS 悬架、双气室非互联悬架 (UN-PIS 悬架) 和普通螺旋弹簧悬架 (HS 悬架) 的全地形车进行侧倾特性对比研究. 研究结果显示,PIS 悬架若关闭互联管路,则会形成 UN-PIS 非互联状态,使悬架刚度瞬间大幅上升,平顺性瞬间变差,而具有相同垂向刚度的 PIS 悬架与 HS 悬架,前者能够提供更多的侧倾角刚度. 研究了气路系统 中影响动态侧倾特性的相关因子,包括连接管路管长、管径、附加气室容积. 研究表明,互联管路管长越小,越有利于提升全地形车侧倾特性,存在临界管径,管径小于或大于该值时,均会小幅度提升侧倾特性,附加气室容积越小,侧倾角刚度越大,为 PIS 悬架气路系统设计提供理论依据.     

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.     

MULTI-MODE OSCILLATIONS AND HAMILTON ENERGY FEEDBACK CONTROL OF A CLASS OF MEMRISTOR NEURON$^{\bf 1)}$

根据法拉第电磁感应定律,在离子穿越细胞膜或者在外界电磁辐射下,细胞内外的电生理环境会产生电磁感应效应,继而会影响神经元的电活动行为. 基于此,本文考虑电磁感应影响下的 Hindmarsh-Rose (HR) 神经元模型,研究了其混合模式振荡放电特征,并设计一个 Hamilton 能量反馈控制器,将其控制到不同的周期簇放电状态. 首先,通过理论分析发现磁通 HR 神经元系统的 Hopf 分岔使其平衡点的稳定性发生了改变,并产生极限环,进而研究了 Hopf 分岔点附近膜电压的放电特征. 基于双参数数值仿真发现该系统具有丰富的分岔结构,在不同的参数平面上存在倍周期分岔、伴有混沌的加周期分岔、无混沌的加周期分岔以及共存的混合模式振荡. 最后,为了有效控制膜电压的混合模式振荡,利用亥姆霍兹理论计算出磁通 HR 神经元系统的 Hamilton 能量函数并设计 Hamilton 能量反馈控制器,通过数值仿真分析了膜电压在不同反馈增益下的簇放电状态,发现该控制器能够有效地控制膜电压到不同的周期簇放电模式. 本文的研究结果为探究电磁感应下神经元的分岔结构及其能量控制领域提供了有用的理论支撑.     

主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动. 当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转. 本文针对这一问题,引入压电材料对 脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用 Hamilton 变分原理与一阶 Galerkin 离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程. 运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性. 将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标. 通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响. 研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系. 为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.      

NONLINEAR DYNAMIC RESPONSE OF PRE-DEFORMED BLADE WITH VARIABLE ROTATIONAL SPEED UNDER 2:1 INTERNAL RESONANCE$^{\bf 1)}$

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲. 另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形. 本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为. 考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成. 应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性. 运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在 2:1 内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应. 详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在 2:1 内共振下对方程的影响. 对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证. 结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在 2:1 内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.     

基于能量准则的梁振动多模态主动控制的LQR法

选用以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法,在单对压电元件进行梁振动主动控制的基础上,使用多对压电元件进行主动控制.运用该算法对压电层合梁的振动控制进行了分析计算.数值算例表明该方法能够有效地控制多阶模态并减小控制能量的消耗.由此,进一步验证了以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法的正确性.     

STUDY ON A DYNAMICS MODEL OF TAPPING MODE AFM AND ENERGY DISSIPATION MECHANISM$^{\bf 1)}$

轻敲模式下探针从远离到间歇性接触样品表面,是一个连续的能量耗散过程.针对该连续过程的能量耗散机理研究仅零星存在于各个文献之中,对于连续过程中各个阶段的能量耗散机理也没有一个系统的解释和实验验证.本文提出了新的位移激励下原子力显微镜探针-样品系统简化模型并得到了一维振子系统等效阻尼的计算方法,并通过该方法计算了探针在远离样品表面时的空气黏性阻尼和靠近样品时的空气压膜阻尼,分析了探针从远离样品到间歇性接触样品表面这一过程中的环境耗散机理变化,得到了原子力显微镜系统理论品质因数与探针工作位置的关系曲线;在此基础上设计了轻敲模式下的微悬臂梁扫频实验,得到了系统实验品质因数与探针工作位置的关系曲线,进而验证了理论模型的准确性. 本文通过对轻敲模式下AFM环境耗散机理进行理论分析和实验验证,希望可以对轻敲模式下AFM动力学特性及其阻尼作用机理有更近一步的认识,同时对微纳米机电系统 (MEMS/NEMS) 能量耗散机理的研究提供理论参考和实验方法.     

航天器力限振动试验条件设计研究

航天器在研制过程中要经过一系列地面力学验证试验, 但在传统加速度控制振动试验中, 受试航天器或其部组件和试验台的连接机械阻抗与真实飞行状态存在很大差异, 如果仅采用加速度条件进行控制可能产生严重的"过试验" 现象. 美国早在20 世纪60 年代就已认识到这一问题, 但直到最近十几年才通过力限振动试验的办法加以解决. 力限振动试验技术分为力限振动试验条件设计技术和力限振动试验控制技术, 其中试验条件设计是开展振动试验的基础和依据. 本文对国内外力限振动试验技术的发展历程和重要成果进行了简述, 并结合我国力限振动试验技术的现状, 对力限振动试验技术在我国的应用和发展, 以及有待进一步研究的问题进行了展望.      

DYNAMIC MODELING AND ANALYSIS OF THE LOWER LIMB PROSTHESIS WITH FOUR-BAR LINKAGE PROSTHETIC KNEE$^{\bf 1)}$

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.