柔性多體系統(tǒng)建模與控制.pdf

1、隨著航天、機器人和高速機車等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，輕質(zhì)柔性材料在工程系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)運行速度的不斷加快和精度要求的不斷提高，使傳統(tǒng)的基于多剛體動力學(xué)的建模與控制理論難以滿足實踐需求，需充分考慮柔性部件的存在對系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響，將系統(tǒng)建模為柔性多體系統(tǒng)。以現(xiàn)代柔性航天器和柔性機械臂為主要實際背景，柔性多體系統(tǒng)的建模與控制研究是當前一個熱點問題。柔性多體系統(tǒng)具有非線性、強耦合、分布參數(shù)和時變等特點，對建模與控制提出了較高的要求。因

2、此開展柔性多體系統(tǒng)建模與控制研究具有重要的現(xiàn)實意義和較高的理論價值。 本文主要研究了柔性多體系統(tǒng)的建模與控制問題。基于柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)研究進展，以具有hub-beam構(gòu)型的柔性多體系統(tǒng)為例，研究了傳統(tǒng)混合坐標模型、一次近似耦合模型和近似線性化模型的精度和使用范圍，基于近似線性化模型、一次近似耦合模型分別研究了線性控制方法和非線性控制方法，構(gòu)建了仿真實驗系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對柔性多體系統(tǒng)的實驗建模進行了研究。 柔性多體系統(tǒng)剛

3、性大范圍運動與柔性變形之間的耦合本質(zhì)上是非線性的?；旌献鴺朔ㄊ悄壳皯?yīng)用范圍最廣的建模方法，但是無法解釋系統(tǒng)高速運行時觀測到的動力剛化現(xiàn)象，相應(yīng)地最近提出了一次近似耦合建模理論。本文首先研究了動力學(xué)理論建模問題。以hub-beam構(gòu)型的柔性多體系統(tǒng)為例，對傳統(tǒng)混合坐標法、動力剛化和一次近似耦合建模方法分別進行了論述，推導(dǎo)給出了三類模型的統(tǒng)一形式。研究比較了三類模型的模態(tài)特性和典型激勵下的響應(yīng)，對三類模型的精度和應(yīng)用范圍進行了討論。

4、 對于運行速度較低的柔性多體系統(tǒng)，忽略耦合非線性得到的線性化模型具有令人滿意的精度。本文第三章研究了以動量輪為執(zhí)行機構(gòu)的hub-beam構(gòu)型系統(tǒng)的線性控制問題?；诰€性化耦合模型推導(dǎo)了動量輪驅(qū)動的hub-beam系統(tǒng)動力學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)提出了H<,∞>減振跟蹤控制方案，并轉(zhuǎn)化為H<,∞>標準問題框架進行求解。在引入了柔性結(jié)構(gòu)振動控制致動器后，提出了自學(xué)習(xí)組合控制方案，對組合控制律和自學(xué)習(xí)律分別進行了證明。在考慮剩余模態(tài)影響的條件下，通

5、過數(shù)值算例對兩類線性控制方案進行了驗證。 當柔性多體系統(tǒng)運行速度較高時，耦合非線性特征較顯著。本文第四章研究了柔性多體系統(tǒng)的非線性控制問題。首先針對一類非線性系統(tǒng)提出了反饋LPV化方法，給出了詳細討論和證明。隨后以運動速度較高時的hub-beam系統(tǒng)為例，基于一次近似耦合模型采用反饋LPV化方法，進一步對得到的LPV系統(tǒng)設(shè)計線性狀態(tài)反饋控制律實現(xiàn)區(qū)域極點配置，并轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式約束下的凸優(yōu)化問題進行求解。針對引入了壓電致動器

6、的hub-beam系統(tǒng)，發(fā)展了一次近似耦合模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了滑模變結(jié)構(gòu)控制律，考慮了剩余模態(tài)的影響，對壓電致動器最優(yōu)配置進行了討論。在考慮剩余模態(tài)影響的條件下，通過數(shù)值算例對兩類非線性控制方案進行了驗證。動力學(xué)理論建模并根據(jù)實驗進行修正的建模方法在許多情形下是可行的。對于不能用理論方法進行建模的情形，根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出實驗數(shù)據(jù)通過辨識得到數(shù)學(xué)模型是較好的選擇。本文第五章研究了實驗建模問題。首先構(gòu)建了實驗系統(tǒng)，對各部分原理和設(shè)計進行說