柔性平面連桿的結構控制一體化設計.pdf

1、機電系統(tǒng)的開發(fā)一般是由結構設計和控制設計兩個部分來完成的。傳統(tǒng)上，控制系統(tǒng)的設計是在結構設計完成之后才進行的。機械工程師根據(jù)工作空間、負載等要求設計出機械結構,然后控制工程師基于現(xiàn)有的結構設計控制器以達到系統(tǒng)的性能要求,如軌跡跟蹤精度、調整時間、超調量等?，F(xiàn)代工業(yè)對機電裝備的高加速度、高精度提出了越來越嚴苛的要求。傳統(tǒng)的設計方法已很難滿足不斷增長的性能需求。同時有實驗表明,結構和控制參數(shù)之間存在耦合,一體化設計方法被認為優(yōu)于傳統(tǒng)設計方法

2、,是進一步提高機電系統(tǒng)性能的有效途徑。
　　本文對平面柔性連桿機構的一體化設計,提出了一個通用的框架。以五桿機構為例,介紹了一體化設計的流程。首先,分析了機構的正反運動學、奇異性、工作空間,根據(jù)工作空間、操作靈巧性等要求確定各個桿件的長度。接著,用有限單元法把桿件離散化,采用拉格朗日方程建立柔性機構的柔性多體動力學模型。對于并聯(lián)機構,由于存在有一個或者多個閉鏈,在動力學方程的數(shù)值求解過程中,會出現(xiàn)約束違約現(xiàn)象,采用有效的方法對之進

3、行實時校正,從而得到了具有較高精度的數(shù)值解。在閉環(huán)系統(tǒng)中采用比例-微分控制策略,選定優(yōu)化變量、性能指標和優(yōu)化約束后,建立結構控制一體化問題的優(yōu)化設計模型。遺傳算法被用來求解這個高度非線性約束優(yōu)化問題。最后,分別以點位和軌跡跟蹤為例,把連桿截面結構參數(shù)和控制器參數(shù)作為設計變量,對柔性五桿機構進行了一體化優(yōu)化設計。仿真結果顯示,一體化設計方法得到的系統(tǒng)比原系統(tǒng)調整時間縮短了20％以上，最大軌跡跟蹤誤差降低了接近一半。這證實了一體化設計是進一