基于同时设计的柔性机械臂系统建模和控制优化

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1、摘要本文以同时设计在柔性机械臂系统设计中的应用为主题，对系统进行机电一体化设计与控制。以单连杆柔性机械臂系统为研究实例，建立系统的动力学模型，进行模型降阶，提出了基于不同控制策略的同时设计方案，并进行了数值仿真，本文首次讨论了同时设计与多学科设计优化，并行工程，及结构和控制一体化设计等的理论相似性，及其各自的特点及异同之处。将同时设计引入柔性机械臂系统设计中，意味着从总体设计的角度，对组成柔性机械臂系统的驱动器，柔性机械臂，传感器及控制器进行综合和整体优化。本文建立了系统同时设计和优化具体应用的框架。考虑到柔性机械臂系统同时设计的结果，机械臂粱可能是非均匀

2、截面粱，因此本文分别采用有限差分法和有限元法建立系统的动力学模型，模型包含柔性机械臂，传感器和驱动器。针对采用模态截断法进行模型简化时，如何确定截取的模态数的问题，本文在建立能量范数的基础上，提出基于能量判据进行柔性机械臂系统的模态截断，其物理意义是以系统简化模型(含不同的主模态数)与原模型的能量接近程度作为模态截取的一个判定依掘。与基于均衡实现的模态截断方法的比较显示了这种方法的优越性。本文提出了两个柔性机械臂同时设计方案，分别采用不同的控制策略。基于PID控制器的柔性机械臂同时设计方案，在建立柔性机械恃系统总体模型的基础上，将系统动态性能指标转化为包含

3、结构、化感器和PID控制器参数的优化目标函数，采用改进的遗传算法进7r全局寻优，得到优化的机械臂结构(刚度分布)和控制器参数。数值仿真表明，优化的PID拧制器和优化结构的柔性机械臂结合，¨J在。定程度上抑制机械臂柔性振动，但是系统的鲁棒性有待提高。为提高系统的鲁棒性，本艾提出了基于

4、【，。鲁棒控制器的柔性机槭臂同时设计方案。首先根掘能量乎-IJ据，对单连杆柔性机械臂系统有限元模型进行降阶简化，针对简化的模型设计鲁棒控制器，考虑系统的未建模动态和扰动等。参数优化设计分为两层，用遗传算法建立参数寻优的框架。内层求解输出反馈的Ⅳ。鲁棒控制器，外层优化机械臂的结构

5、参数。本文采用基于LMI的方法求解次优反馈输出H一鲁棒控制器，避免了求解零极点对消对弱阻尼系统的影响，数值仿真显示方法的有效性。关键词：同时设计，柔性机械臂系统，建模，模型简化，能量判据，鲁棒控制器，LMIAbstractMajorsubjectofthethesisisanapplicationofconcurrentdesigninflexiblemanipulatorsystemdesign，andmechatronicdesignandcontrolarecarriedout．Asingle—linkflexiblemanipulatorsyste

6、misstudiedastheobjectinvestigated．Thedynamicmodeling，modereduction，concurrentdesignbasedondifferentstrategies，anddigitalsimulationsarepresented．OwingtOthetheoreticalsimilarities，concurrentdesignandConcurrentEngineering(CE)，MultidisciplinaryDesignOptimization(MDO)，StructureandContr

7、olIntegratedDesign(CSID)，arefirstlydiscussedsimultaneously,togetherwiththeirdifferentandcoiniTlonpoints．Introducingconcurrentdesignintodesignofflexiblemanipulatorsystem，meanstosynthesizeandintegrallyoptimizethewholesystemincludingdrivingmechanism，flexiblemanipulator,sensorsandcont

8、roller,fromtheviewpointofgeneraldesign．Aspecificapplicationframeofconcurrentdesignandoptimizationissetup．Sincetheoptimizedflexiblemanipulatorbeamafterconcurrentdesignmaybenon—uniformcross—sectionbeam，finitedifferencemethodandfiniteelementmethodareadoptedfordynamicmodelingthesystem

9、whichconminstheflexible．manipulat