空间刚柔性机械臂振动的精细控制

本文在双连杆空间柔性机械臂系统非线性动力学方程的基础上,运用线性二次型（LQ）最优控制方法讨论了机械臂消除残余振动的控制问题。本文重点在于系统计算过程中,放弃了传统的差分类算法,对时变控制系统,引入时程精细积分方法,由于精细积分方法在有限的时间步长内又进行了更精细的划分,同时避免了差分法的许多计算障碍,使得该计算方法具有计算精度高及数值计算无条件稳定等特点。文中针对双连杆空间柔性机械臂系统这一典型结构,给出了其精细控制律,以说明精细积分法的优越性。     

柔性机械臂动力学建模和控制研究

综述了柔性机械臂动力学建模和动力学控制等相关问题,介绍了柔性机械臂动力学建模中的旋转代数法、基于Lagrange方程的方法及基于模型辩识的方法;介绍了柔性机械臂动力学控制中的PD控制、反馈控制、自适应控制、鲁棒控制、预测控制、非线性控制和智能控 制,最后详细介绍了柔性机械臂动力学控制中的混合控制及智能结构;指出在柔性机械臂动力学建模和动力学控制应解决的问题。这对包括柔性机械臂在内的多柔体系统动力学建模与控制问题的研究有一定的促进作用。      

基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

柔性机械臂碰撞系统的一种建模方法及精细积分数值模拟

对一单连杆柔性机械臂与外界发生碰撞时的动力学特性进行了研究。在建立动力学模型时，利用有限元思想，用有限个刚性单元和抗扭连接弹簧来模拟机械臂及其柔性性质，得出了较为简单的非线性动力学方程，根据几何关系，建立了系统在发生碰撞时的约束条件。本文在系统的动力学方程中引入对偶变量，并将方程导向Hamilton体系，用精细积分法对系统的动力学特性进行了模拟。     

精细积分法在迷宫密封转子系统非线性动力学特性计算中的应用

基于Muszynska密封力模型,建立了迷宫密封转子系统的非线性动力学模型,将精细积分法推广应用于非线性情况,计算了迷宫密封不平衡转子系统的动力学特性,依据Floquet理论讨论其分岔特性。研究表明：在2^N类算法计算指数矩阵基础上提出的精细积分法和传统的数值计算方法相比,其精度高,在分析中通过取不同步长计算对比,表明该方法在某些情况下可以采取较大时间步长,有效提高了计算速度。     

无条件稳定的更新精细积分方法

提出将Pade逼近与精细积分方法中的指数矩阵运算技巧结合起来,建立了精细积分法的更新形式及计算过程,对该更新精细积分方法的稳定性进行了论证与探讨.结果表明,该更新精细积分方法是无条件稳定的,整个积分方法的精度取决于所取Pade逼近的阶数与高斯积分点的数量.数值例题也显示了该方法的高效率及其可行性.     

结构动力方程的更新精细积分方法

将高斯积分方法与精细积分方法中的指数矩阵运算技巧结合起来,建立了精细积分法的更新形式及计算过程,对该更新精细积分方法的稳定性进行了论证与探讨。在实施精细积分过程中不必进行矩阵求逆,整个积分方法的精度取决于所选高斯积分点的数量。这种方法理论上可实现任意高精度,计算效率较高,其稳定性条件极易满足。数值例题也显示了这种方法的有效性。     

一种基于角振动台的SINS加速度计通道频率特性测试方法

提出一种针对SINS加速度计通道的频率特性测试方法。该方法基于角振动台的正弦摇摆运动,利用加速度计的外杆臂效应实现对加速度计通道的率特性测试。该方法的关键在于加速度计的外杆臂参数标定和杆臂效应误差补偿计算,采用该文章提出的频率内标定方法以及双子样补偿计算公式,能很好地解决这些问题。通过理论分析和实验数据处理表明,该方法能够实现加速度计通道的频率特性测试,测试精度主要取决于外杆臂长度的标定精度。该方法操作方便,具有一定的参考价值。     

残损航空器搬移拖车悬臂的拓扑优化

首先,采用导重准则法对在固定载荷下以位移为约束的拓扑优化问题进行计算,运用一种新的插值模型推导了在单工况作用下的最小质量拓扑优化迭代算法,并通过一个算例验证了该算法的可行性。然后,将该算法应用于残损航空器搬移拖车悬臂的拓扑优化设计中,将由此获得的悬臂的拓扑形貌与结构优化软件Optistruct得到的拓扑结果进行对比。结果表明,二者的迭代速度差别不大,且导重准则法的优化效果更好。作为概念设计,所得的拓扑形貌为以后悬臂结构的优化设计提供了有效参考。     

Comment on “Precise Control for vibration of rigid-flexible mechanical arm”

The results presented in a paper by Zichen et al. [1] has some flaws. The idea in [1] is to combine assumed modes method using an integration method with optimal control adaptive law for a spatial rigid-flexible mechanical arm as an underactuated mechanical systems (UMS). The nonlinear dynamic equation formulation from reference [6] is incorrectly used in [1]. Furthermore, the control law approach in [1] was to achieve a similar result for a UMS rigid manipulator as the one published by Spong [2] and a proper citation must have been credited.     

连续时间线性约束LQ控制问题的时程精细积分方法

本文基于连续时间线性约束LQ控制问题,给出时段的消元公式。由于消元过程与消元次序无关,故可在此过程中引入2N类高精度时程积分方法,求出Riccati方程后,对状态向量进一步采用时程精细积分法,可确定系统非常精确的状态向量,该方法不仅保证了系统的计算精度,而且有很好的数值稳定性,数值例题说明了本文方法的有效性。     

复杂机构的控制与结构同步优化设计

本文研究了非线性机构控制与结构同步优化设计问题。提出了一种复杂系统敏度分析的数值求解方法,该方法首先通过滑模控制器将非线性动力学方程化简为一个线性微分方程;然后,利用Newmark积分法,获得系统对设计变量敏度的数值解;最后,以Stewart平台为例,介绍了该方法的应用过程。数值结果说明了方法的有效性。     

影响流体力学仿真精度的数值积分因素

为了获得精确的流体力学仿真效果,本文对其中的影响因素之一－数值积分因素进行了研究,得到了满意结果时应用的数值积分方法的精度和步长。     

非线性动力方程的增维精细积分法

对线性定常结构的动力系统提出的精细积分法，能得到在数值上逼近于精确解的结果。但是对于非齐次动力方程却涉及到矩阵求逆的困难，而且通常与时间有关的非齐次项不能进入精细积分的细化过程。采用增维的方法，将非齐次动力方程化为齐次方程，在实施精细积分的过程中不必进行矩阵求逆。这种处理方法对于程序实现和提高数值计算的稳定性十分有利，而且在大型问题中可明显提高计算效率，数值算例显示本文方法是有效的。     

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.      

分层介质中Love波的扩展W-W算法

应用精细积分法(PIM)和扩展Wittrick-Williams(W-W)算法求解横观各向同性分层半空间中的Love波问题.Love波对应于波数-频率域线性常微分方程的本征值问题.精细积分法是求解线性常微分方程两端边值问题和初值问题的高精度算法.利用本征值计数技术,扩展W-W算法可以不遗漏地找到所有本征值.因此,文中使用的方法可以得到计算机精度意义下的精确解.     

勒让德伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题

研究伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题. 针对三维刚体摆这类含有约束的力学模型,提出了基于勒让德伪谱法的三维刚体摆姿态最优控制方法. 利用插值逼近设计了三维刚体摆姿态运动最优控制算法,得到了三维刚体摆的姿态最优控制轨迹,并结合松弛参数来控制插值点的取值,寻找满足的可行解. 仿真结果表明,基于勒让德伪谱法的最优控制算法使得三维刚体摆能以较小的误差运动到期望的末端姿态,且计算速度快,能够获得精度较高的控制输入量.     

基于Harris角点检测的位移测量算法

在力学实验中,位移和应变的测量是最基本任务之一。本文提出了一种基于Harris角点检测的位移测量算法。通过检测变形前图像的角点,然后利用光流跟踪技术在变形图像中搜索其匹配点,最终计算得到位移值。算法对图像采用网格划分方式进行计算,达到了全场测量的目的。实验结果表明,该算法位移测量精度高、稳定性好,可作为基于图像处理的无损测量方法。     

结构动力方程的样条精细积分法

结合精细积分法和样条函数拟合技术的优点,提出了求解结构动力方程的一种有效方法.首先对非齐次项用三次正规化B样条函数进行拟合,然后利用正规化B样条函数形状相同、仅相差一个平移量的特点,构造了一个高效的特解求解方法.按此方法只需求出一个标准B样条项所对应的特解,然后通过时间坐标的平移并结合叠加原理,即可求出任意时刻的特解值.由于特解计算中采用数值积分的方法,避免了矩阵求逆,因而本方法具有较大的适用范围.算例结果证明了该方法的有效性.     

RESEARCH ON VIBRATION CHARACTERISTICS OF THE MANIPULATOR END UNDER ACTIVE CONTROL OF ARM STIFFNESS$^{\bf 1)}$

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.