旋转柔性铰接梁建模及振动主动控制研究

发布时间：2017-08-11 19:27

  本文关键词：旋转柔性铰接梁建模及振动主动控制研究

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【摘要】：现代航天器通常安装有大跨度太阳能帆板和巨型天线等柔性构件,转动调姿、交会对接或者受到外部扰动时,都会容易引起柔性结构的振动。这种振动尤其是低阶的小幅值振动在太空环境中会持续很长时间,如果不对其进行主动抑制,将会影响系统的稳定性和指向定位精度,甚至造成灾难性的损失。针对旋转机械臂等刚柔耦合系统的振动问题,设计了一种带谐波齿轮减速器的旋转柔性铰接梁系统,以此为研究对象进行了动力学建模和振动控制实验研究。首先,建立了系统的动力学模型。采用混合坐标法建立惯性坐标系和浮动坐标系,结合柔性铰接梁的有限元离散化分析,利用Hamilton原理推导出旋转柔性铰接梁的零次近似动力学模型。当电机停止转动时,柔性铰接梁近似悬臂条件,采用矩形薄板单元对悬臂条件下的柔性铰接梁结构进行有限元建模,并转化成标准状态空间方程和离散化形式。由建模得到的状态空间方程对柔性铰接梁进行模态分析,并与采用ANSYS软件的模态分析进行对比。利用建立的模型,采用一种基于奇异值分解(SVD)方法进行压电传感器/驱动器的位置优化配置。其次,针对旋转柔性铰接梁系统中谐波齿轮传动引起的滞后、非线性及谐振等现象,分别设计了快速终端滑模、模糊快速终端滑模和自适应RBF模糊神经网络学习控制三种非线性控制算法。针对滑模控制研究了消除抖振的方法,并进行了算法的理论分析和闭环控制稳定性分析。最后,建立了基于电机和压电驱动控制柔性铰接梁振动的实验平台,进行了设定点和转动过程中的振动主动控制实验研究。实验结果表明,PD控制算法可以有效地抑制旋转柔性铰接梁的大幅值振动,但对于小幅值振动的控制效果较差,而设计的三种非线性控制算法可以迅速将振动抑制到零,快速终端滑模、模糊终端滑模控制算法保证控制效果的前提下有效地消除了抖振,自适应RBF模糊神经网络在线学习功能提高了控制器的抗干扰能力和鲁棒性。此外,设计了恒流源驱动电路,并应用于形状记忆合金丝的驱动实验研究。
【关键词】：旋转柔性铰接梁 刚柔耦合系统 优化配置 振动主动控制 模糊快速终端滑模 自适应模糊神经网络 形状记忆合金
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题研究的背景和意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-19
• 1.3.1 刚-柔耦合系统动力学研究现状13-14
• 1.3.2 旋转柔性梁的研究现状14-15
• 1.3.3 智能材料结构研究现状15-16
• 1.3.4 传感器/驱动器优化配置研究现状16-17
• 1.3.5 振动主动控制算法研究现状17-19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第二章 旋转柔性铰接梁系统建模21-40
• 2.1 旋转柔性铰接梁的刚-柔耦合动力学模型21-28
• 2.1.1 运动学描述21-23
• 2.1.2 有限元板单元分析23-25
• 2.1.3 动力学方程25-28
• 2.2 柔性铰接梁的压电传感器/驱动器位置优化配置28-35
• 2.2.1 悬臂柔性铰接梁的有限元建模28-33
• 2.2.2 压电传感器/驱动器位置优化配置33-35
• 2.3 柔性铰接梁的模态分析35-39
• 2.3.1 基于MATLAB的模态分析35-38
• 2.3.2 基于ANSYS的模态分析38-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 振动主动控制算法设计40-62
• 3.1 PD控制算法40-41
• 3.1.1 基于压电驱动振动控制40-41
• 3.1.2 基于电机驱动振动控制41
• 3.2 快速终端滑模控制算法41-47
• 3.2.1 滑模控制理论基础41-44
• 3.2.2 快速终端滑模控制器设计44-47
• 3.3 模糊快速终端滑模控制算法47-54
• 3.3.1 模糊控制理论47-49
• 3.3.2 模糊快速终端滑模控制器设计49-54
• 3.4 自适应RBF模糊神经网络控制算法54-61
• 3.4.1 RBF神经网络控制基础54-55
• 3.4.2 自适应RBF模糊神经网络控制器设计55-61
• 3.5 本章小结61-62
• 第四章 旋转柔性铰接梁实验平台62-77
• 4.1 实验平台构成62-64
• 4.2 振动控制系统硬件64-70
• 4.2.1 运动控制器64-66
• 4.2.2 交流伺服电机66-67
• 4.2.3 形状记忆合金驱动电路67-70
• 4.3 振动控制系统软件70-73
• 4.3.1 控制软件主程序70-72
• 4.3.2 控制软件界面72-73
• 4.4 实验信号处理73-76
• 4.5 本章小结76-77
• 第五章 振动主动控制实验研究77-113
• 5.1 无末端质量梁设定点振动控制实验研究77-93
• 5.1.1 自由振动分析77-78
• 5.1.2 基于压电驱动振动控制实验78-86
• 5.1.3 基于电机驱动振动控制实验86-93
• 5.2 无末端质量梁转动过程振动控制实验研究93-98
• 5.2.1 自由振动分析93-94
• 5.2.2 基于电机驱动振动控制实验94-98
• 5.3 带末端质量梁设定点振动控制实验研究98-106
• 5.3.1 自由振动分析99-100
• 5.3.2 基于压电驱动振动控制实验100-103
• 5.3.3 基于电机驱动振动控制实验103-106
• 5.4 带末端质量梁转动过程振动控制实验研究106-109
• 5.4.1 自由振动分析107
• 5.4.2 基于电机驱动振动控制实验107-109
• 5.5 形状记忆合金驱动实验109-112
• 5.6 本章小结112-113
• 总结与展望113-115
• 全文工作总结113-114
• 今后的研究方向和展望114-115
• 参考文献115-124
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果124-125
• 致谢125-126
• 附件126

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 谢建宏;张为公;梁大开;;智能材料结构的研究现状及未来发展[J];材料导报;2006年11期

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4 洪嘉振,蒋丽忠;柔性多体系统刚-柔耦合动力学[J];力学进展;2000年01期

5 谷勇霞;赵杰亮;阎绍泽;吴嘉宁;;考虑谐波传动滞后的柔性空间机械臂运动精度[J];机械工程学报;2013年23期

6 李传兵,廖昌荣,张玉t，

本文编号：657905