空间机械臂柔性关节的位置及抑振控制研究

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1、学校代码：密级：公开硕士学位论文空间机械臂柔性关节的位置及抑振控制研究作者姓名张啸雪学科专业安全科学与工程指导教师吴斌副教授培养院系机械与电子控制工程学院二零一五年三月硕士学位论文空间机械臂柔性关节的位置及抑振控制研宄作者：张啸雪导师：吴斌北京交通大学年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务并采用影印、縮印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说

2、明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：■年》月日签字日期：丨艾年》月曰学校代码：密级：公开北京交通大学硕士学位论文空间机械臂柔性关节的位置及抑振控制研宄作者姓名：张啸雪学号：导师姓名：吴斌、职称：副教授学位类别：工学学位级别：硕士学科专业：安全科学与工程研究方向：控制理论与控制工程北京交通大学年月致谢时光荏苒，不知不觉中我的硕士生涯即将结束，如果把本科比作人生的转折，那么硕士便是我迈向社会的中继站。一路走来，有过彷徨，有过动摇，但是因为梦想，因为信念，所以坚持着我的坚持，执着着我的执着。在硕士论文付梓之际，回首求学路上的点点滴滴，我的每一次成长与蜕变都离不开老

3、师、同学和亲人们的鞭策和鼓舞，在这里由衷的感谢各位。本论文的工作是在我的导师吴斌副教授的悉心指导下完成的，吴斌老师治学严谨，学识渊博，视野宽宏，为我营造了一种良好的精神氛围，置身其间，耳濡目染，不仅使我提高了内在的修养，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研宄方法，而且还明白了许多待人接物和为人处世的道理。在此，谨向吴斌老师致以最崇高的敬意。在这里我还要特别感谢实验室的张乐乐教授，感谢张老师对我课题的指导和在生活中对我的关心和帮助，张老师对学术和事业的执着精神和求实作风给我留下了永不磨灭的印象，也为我树立了榜样。感谢谭南林教授，兰惠清教授，张冬泉副教授，赵建东副教授

4、，龚卓蓉高工，感谢各位老师在我论文幵题及中期时提出的宝贵意见。感谢实验室的师兄和师弟们，感谢我的舍友孙鑫和孙贺，感谢大家为我营造了良好的科研和生活氛围，感谢各位在我研宄生生涯中给予的诸多帮助与关怀。感谢我的父母给予我平凡而伟大的爱，他们朴实和善良深深影响着我，是他们默默奉献的爱与包容激励着我向更高的目标奋进。感谢我的兄长及嫂子，感谢他们对我的照顾、理解和支持。最后，感谢所有帮助和关心我的人。中文摘要中文摘要目前，世界上大多数国家都十分重视对太空资源的利用和幵发，空间机械臂的研宄己经成为空间技术研宂领域内的一个重要研宄方向，利用空间机械臂完成一些太空作业任务具有重要

5、的意义。由于，空间机械臂具有控制精度高、设计寿命长、可靠性高等特点，因此，对其设计和控制提出了很高的要求。本文重点针对空间机械臂系统的关键组成部分一一柔性关节进行研宄分析，对柔性关节的动力学模型、高精度位置控制和振动抑制控制等问题作了相关研宄。首先，基于方程得到空间机械臂柔性关节的简化动力学模型。应用仿真软件进行动力学仿真分析，验证了动力学模型的有效性和可实现性，为后面的控制策略的研宄提供了重要的理论依据。针对柔性关节的线性扭转弹簧模型和弹簧阻尼器模型，采用常规的控制器对其进行仿真实验，对比分析了不同输入信号、控制器参数以及非线性阻尼对系统的影响，仿真结果表明，要

6、实现柔性关节的高精度控制，需要进一步对其控制策略进行研宄。其次，针对空间机械臂柔性关节的高精度位置控制进行研宄。考虑了非线性因素对系统的影响，通过分析半闭环位置控制和全闭环位置控制的优缺点，设计了一种双位置反馈控制器来提高关节输出端的位置轨迹跟踪精度，为了实现更高精度的位置轨迹跟踪控制，针对控制器的缺陷，采用自抗扰控制器，设计双位置反馈自抗扰控制策略，通过对柔性关节系统进行仿真实验表明，所设计的控制策略不仅能够提高系统的轨迹跟踪精度，还能克服摩擦等非线性因素对系统性能的影响。再次，针对空间机械臂柔性关节的振动抑制进行研究。通过对柔性关节的振动状态分析，采用了力矩负

7、反馈控制来实现关节的抑振，考虑到关节力矩常常受到干扰信号的影响，在此基础上，对力矩负反馈控制进行改进，设计力矩负反馈控制器，仿真结果表明，力矩负反馈控制在实现抑振的同时可较好的避免干扰信号的影响。鉴于力矩负反馈控制器不能兼顾抑振效果和轨迹跟踪精度的问题，设计振动力矩反馈控制器，仿真实验表明，该方法在实现有效抑振的同时能够保持轨迹跟踪的精度。最后，为了满足空间机械臂柔性关节设计指标的要求，既能保证高精度的位置控制的同时实现有效抑振，对空间机械臂柔性关节进行位置力混合控制，设计四种不同的混合控制策略，通过仿真结果表明，四种混合控制策略均能满足设计指标的要求，且双位置反

8、馈自抗扰控