浅议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、中国科学院自动化研究所博士学位论文基于同时设计的柔性机械臂系统建模和控制优化姓名：肖志权申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：王飞跃20040717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

2、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

3、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

4、高。为提高系统的鲁棒性，本艾提出了基于

5、【，。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

6、控制器，LMIAbstractMajorsubjectofthethesisisanapplicationofconcurrentdesigninflexiblemanipulatorsystemdesign，andmechatronicdesignandcontrolarecarriedout．Asingle—linkflexiblemanipulatorsystemisstudiedastheobjectinvestigated．Thedynamicmodeling，modereduction，con

7、currentdesignbasedondifferentstrategies，anddigitalsimulationsarepresented．OwingtOthetheoreticalsimilarities，concurrentdesignandConcurrentEngineering(CE)，MultidisciplinaryDesignOptimization(MDO)，StructureandControlIntegratedDesign(CSID)，arefirstlydiscussed

8、simultaneously,togetherwiththeirdifferentandcoiniTlonpoints．Introducingconcurrentdesignintodesignofflexiblemanipulatorsystem，meanstosynthesizeandintegrallyoptimizethewholesystemincludingdrivingmechanism，flexiblemanipulator,sensorsandcontroller,fromtheview

9、pointofgeneraldesign．Aspecificapplicationframeofconcurrentdesignandoptimizationissetup．Sincetheoptimizedflexiblemanipulatorbeamafterconcurrentdesignmaybenon—uniformcross—sectionbeam，finitedifferencemethodandfiniteel