柔性支撐並在線上構振動特性及抑振控制研究

《柔性支撐並在線上構振動特性及抑振控制研究》是依託清華大學，由邵珠峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：柔性支撐並在線上構振動特性及抑振控制研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：邵珠峰
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

柔性支撐並在線上構具有工作空間大、承載能力強、功耗小和造價低等優點，在航天和航空領域顯現出巨大的套用潛力。然而由於柔性支撐並在線上構出現較晚，研究成果有限，亟待有針對性的深入研究。申請人在前期研究中發現，抑振控制是柔性支撐並在線上構工程套用的關鍵難點之一，該問題的解決依賴於其整體動力學建模和振動特性分析。因此，本申請擬首先建立柔性支撐的彈性動力學模型和基礎平台運動的並在線上構的剛體動力學模型，在明確內部耦合特性的基礎上，聯立獲得柔性支撐並在線上構的整體動力學模型，並進行實驗驗證和修正。然後，根據整體動力學模型，進行仿真分析，確定柔性支撐並在線上構的力和振動特性。最後，依據振動特性的分析結果，有針對性的提出柔性支撐並在線上構的抑振控制方法，進行模型實驗研究，提高系統穩定性和終端軌跡精度。本項目的研究能夠解決動力學建模和抑振控制兩大問題，推動柔性支撐並在線上構的理論研究和工程實踐的發展。

結題摘要

索並在線上構串聯剛性並在線上構所組成的柔性支撐並在線上構繼承了索並在線上構大工作空間和剛性並在線上構高動態特性的優點，同時具有功耗小和造價低的特點，在大範圍高精度定位和調姿領域顯現出巨大的套用潛力。然而柔性支撐並在線上構本身結構複雜，且系統內部存在強剛柔耦合，終端精度保證和抑振控制是其理論研究和工程實踐面臨的關鍵問題。本項目針對該問題進行了動力學建模、振動特性分析和抑振控制等三方面的研究。 採用牛頓-歐拉方程推導了基礎平台運動的剛性並在線上構動力學模型，該模型包含基礎平台的運動參數，具體包括基礎平台的姿態、角速度、角加速度和線加速度等，能夠完整反映柔性支撐運動狀態對固連於其下的剛性並在線上構力特性的影響。基於索的彈簧阻尼模型，建立了索並在線上構的彈性動力學模型，該模型能夠較全面的反映索並在線上構（柔性支撐）在外力作用下的振動特性。通過分析研究，將柔性支撐並在線上構的剛柔耦合特性界定為帶有力反饋的位姿隨動關係，並在此基礎上完成了柔性支撐並在線上構的完整動力學建模，為後續仿真研究提供理論模型。 將已建立的柔性支撐並在線上構完整動力學模型進行線性化，獲得索並在線上構固有頻率和位姿的函式關係，分析了索並在線上構在工作空間內的固有頻率分布，並進一步分析索並在線上構幾何參數對固有頻率的影響靈敏度。通過引入虛平台，提出描述柔性支撐並在線上構耦合特性的DCI（Dynamic Coupling Index）指標，分析了DCI取值與系統穩定性之間的關係，明確了剛性並在線上構質量分布對DCI指標的影響。仿真研究表明降低剛性並在線上構的負載質量和慣量有助於提高柔性支撐並在線上構的整體控制穩定性，提升位置反饋控制下的終端精度。 完成柔性支撐並在線上構物理實驗模型的搭建。利用該實驗模型，首先進行了動力學模型的驗證實驗，結果表明所建立的柔性支撐並在線上構動力學模型正確有效。隨後針對該物理實驗模型，建立模糊控制邏輯，實現了柔性支撐並在線上構的軌跡補償抑振控制。實驗表明採用軌跡補償抑振控制後，柔性支撐並在線上構系統的終端誤差得到有效降低，所建立的模糊PID控制器能夠有效改善整個系統的控制穩定性。