双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究

双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该问题,设计了一种基于机器人相对动力学模型的力位混合控制系统。建立双悬臂截割机器人运动学和动力学模型,基于机器人的相对雅可比矩阵及虚位移与虚功原理推导出机器人的相对动力学模型,通过单一变量同时描述机器人双臂的运动状态,将机器人双臂独立的动力学模型整合为一个整体。基于机器人的相对动力学模型,设计了机器人双臂力位混合控制系统,通过李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性和可行性。仿真结果表明:双悬臂截割工艺较单悬臂截割拥有更大的工作空间,具有一次性实现大断面截割的能力;双悬臂截割机器人力位混合控制系统能够完成对期望相对位置和期望相对力的同步跟踪,对截割头期望位置跟踪的绝对误差在0.3132 m以内,均方根误差为0.1447 m。

“精密测试技术”线上线下融合案例教学探索

“精密测试技术”作为机电工程类各专业研究生的基础课程,具有综合程度高、适应面广和实践性强等特点。通过线上线下在教学中引入和科研、生活实际相关的具体案例,引导学生深度参与,从而激发他们的学习兴趣,提升教学效果。此教学模式的引入,使得学生不仅能掌握课程知识,同时还能锻炼其学术与应用综合能力,增强自身的科研自信心和求知获得感,形成理论与实践的统一、教书与育人的统一。

宏微并联机器人系统自适应交互PID监督控制

500m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)的馈源支撑与指向跟踪机构由宏微并联机器人系统构成,大跨度柔索驱动的宏并联机器人保证系统的大工作空间,精密电动缸驱动的Stewart平台作为微并联机器人保证系统的末端精度并扩展其伺服带宽。为了降低宏并联机器人的柔性对末端定位精度的影响,提出基于并联机构学原理的三维机动目标解耦跟踪预测算法,对馈源舱的运动进行跟踪预测。引入自适应交互算法解决PID参数的实时调整,设计自适应交互PID监督控制器,根据馈源舱的预测运动和馈源平台的目标轨迹产生电动缸规划级控制量。此外,在电动缸执行级采用带前馈的数字伺服滤波器实现电动缸的高精度轨迹跟踪。FAST50m缩尺模型试验表明,结合解耦预测算法对馈源舱的运动预测,自适应交互PID监督控制器效果良好,能够确保宏微并联机器人系统在以期望的跟踪速度运行时,获得完全满足控制要求的定位精度和指向精度。

平面倒立摆自适应滑模模糊控制

采用拉格朗日方程建立平面倒立摆的动力学模型,并将其在平衡位置进行线性化,得到了系统在X和Y两个正交控制方向解耦的近似模型.针对每一个控制方向上由互相耦合的基座小车定位子系统和摆杆镇定子系统组成的欠驱动系统,设计了自适应滑模模糊控制器,实现了基座小车沿圆周行走条件下摆杆的运动平衡控制.行走实验验证了所提出控制算法的有效性.

平面二级倒立摆的圆周行走与镇定控制

采用拉格朗同方程建立了平面二级倒立摆的非线性动力学模型,将其在平衡位置线性化,得到系统在两个正交控制方向解耦的近似模型.针对每一个方向上由互相耦合的基座小车定位子系统和摆杆镇定子系统所组成的六阶欠驱动系统,设计了自适应滑模模糊控制器,实现了基座小车沿圆周行走条件下摆杆的镇定控制,验证了该控制算法对欠驱动、不稳定、多变量耦合系统的有效性.

大射电望远镜精调Stewart平台并联机器人伺服带宽分析

利用有限元通用软件 ANSYS建立了大射电望远镜精调 Stewart 平台并联机器人的有限元模型;采用ANSYS参数化设计语言(APDL)实现了该模型的参数化设计;通过对任意位姿结构进行模态分析,计算出并联机器人在其工作空间内的固有频率分布;根据伺服系统设计原则,确定了该并联机器人的伺服带宽。

基于Metropolis遗传算法的并联机器人结构优化设计

以六自由度Stewart并联机器人的灵巧度为目标函数,以设计空间、每条支腿的最大最小长度之比和虎克铰、球铰的极限摆角为约束条件建立了结构优化模型.将模拟退火算法中的M etropolis准则引入到实值编码遗传算法的选择操作中,产生了M etropolis遗传算法,采用该算法进行了并联机器人结构优化问题的求解.通过与采用标准遗传算法得出的结果比较,证实了M etropolis遗传算法在并联机器人结构优化设计中的有效性和优越性.

基于自适应遗传算法的Stewart平台结构双目标优化设计

探讨了大射电望远镜精调Stewart平台的设计准则,建立了综合衡量Stewart平台运动精度和质量的双目标优化模型,以其结构强度和固有频率为约束条件,采用自适应遗传算法对该优化问题求解。通过与采用标准遗传算法所得优化结果的比较,验证了自适应遗传算法在Stewart平台结构参数设计中的有效性。

柔性支撑Stewart平台动力学建模与轨迹跟踪控制

为了实现FAST(five hundred meter aperture spherical radio telescope)二级精调稳定平台的高精度轨迹跟踪,建立了采用电动缸驱动的Stewart平台完整动力学模型,基于控制律分解法进行了动力学模型的全局反馈线性化,针对基座的外界干扰和机构未建模动态的不利影响,在Stewart平台操作空间设计了基于基座平台加速度前馈的PID控制器。建立了现代机电系统仿真模型,对柔性支撑基座存在干扰情况下Stewart平台的动力学与轨迹跟踪控制问题进行了数值仿真,结果表明所设计的控制系统具有跟踪精度高、动力性能平稳和鲁棒性强的优点。

大射电望远镜精调Stewart平台结构刚度分析

建立了大射电望远镜精调Stewart平台的有限元模型,对其位于典型工作位置的结构进行了刚度和模态分析。利用Ansys参数化设计语言(APDL)实现有限元模型的参数化设计,使之能对锁定在不同位姿的Stewart平台结构进行刚度和模态分析,从而计算出Stewart平台在其任务空间内的刚度和固有频率分布。根据伺服系统设计准则,进一步确定了Stewart平台的伺服带宽。

柔性支撑三维机动目标的解耦跟踪预测算法

为了克服因忽略各自由度的耦合本质而引入的预测误差,基于并联机构学原理,提出了一种柔性支撑三维机动目标跟踪预测算法.该算法将运动目标假定为6自由度并联机器人的末端执行器,在其解耦的关节空间进行驱动支链长度的预测,通过并联机器人位置正解得出目标在将来时刻的位姿.针对500 m口径球面射电望远镜馈源支撑与指向系统的两级复合控制模型进行数值仿真,结果表明,与传统预测方法相比,该预测算法的精度提高了一倍,运算时间为亚毫秒数量级.

柔性支撑Stewart平台自适应交互PID隔振控制

为了实现500m口径球面射电望远镜(five hundred meteraperture spherical radio telescope,FAST)二级精调稳定平台对馈源舱隔振控制的定位和指向精度,首先提出了基于并联机构学原理的3维机动目标跟踪预测算法,对柔性支撑Stewart平台的基座运动进行跟踪预测.进而,在Stewart平台关节空间设计了自适应交互PID控制器,引入自适应交互算法解决PID参数的实时调整,以适应柔性支撑Stewart平台的参数变化对不同控制参数的需求.采用现代机电系统仿真策略,对柔性支撑Stewart平台隔振系统的动力学与控制问题进行了仿真,结果表明:与传统的PID控制器相比,自适应交互PID控制器大大改善了隔振效果,完全满足隔振目标的要求.

基于自抗扰控制的新体制天线座控制系统设计

文中为了克服天线座系统中存在的由关节摩擦、传动齿隙等引起的内部扰动以及由外界环境变化引起的外部扰动,实现并联驱动式新体制雷达天线座的高精度运动控制,设计基于自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)的新体制雷达天线座控制系统;针对ADRC参数众多且难以快速整定的问题,将ADRC参数整定转化为优化问题,并采用多策略混合粒子群优化(Multi-strategy Hybrid Particle Swarm Optimization,MSH-PSO)算法对自抗扰控制器参数进行优化整定。电机控制实验和天线阵面运动控制实验结果表明:基于自抗扰控制的控制系统在实现新体制雷达天线座运动控制时具有很好的稳定性和高指向精度。

大射电望远镜精调Stewart平台工作空间研究

以大射电望远镜精调Stewart平台为研究对象,分析了Stewart平台工作空间的影响因素,根据给定的馈源可达空间求得了Stewart平台支腿长度和运动副转角的极限值,并采用快速极坐标搜索法确定了所得Stewart平台的工作空间。

中法融合、面向新工科建设的自动控制理论课程体系优化

适应培养具备创新意识的高层次工程技术人才新形势,融合法国工程师培养体系先进思想和方法,以工程应用为导向进行"自动控制理论"课程体系优化,加大工程案例分析比重,强化现代分析和设计工具的使用和训练,在运用知识的过程中深化学生对自动控制理论基本概念和基础理论的深入理解。

自动控制理论立体化教材建设与实践

在传统印刷版教材的基础上，充分发挥现代互联网技术的优势，建立在线课程网站和微信公众号移动学习平台为补充的自动控制理论立体化教材系统。针对自动控制理论数理基础要求高、课程系统庞大、概念众多的特点，发挥立体化教材各层面的优势，有效解决了学生对课前预习、课堂使用、知识点巩固、拓展训练以及课后学习互动的多方面需求。

大型相控阵天线结构保型设计研究

针对某大型相控阵天线自重大、表面精度要求高、加强筋安装位置受限的特点,本文进行相控阵天线阵面保型的结构方案设计。考虑到加强筋安装位置和型材受限,提出了连续化过滤函数,使得型材变量与连续变量进行映射,将离散变量拓朴优化转换为连续变量拓朴优化求解,提高了求解效率,降低了求解的规模。同时,为降低支腿驱动力,以调整机构条件数为目标进行铰节点的布局优化,并进行了静、动力的计算,确定了支腿最大驱动力。对某大型相控阵雷达进行了案例验证,收到满意的结果,并且该方案将应用到工程实际中。

考虑柔索垂度影响的索支撑系统静刚度

大射电望远镜的索支撑系统由于工作空间巨大,刚度分析时必须考虑柔索垂度的影响。为此,基于弹性悬链线方程推导出柔索的索端张力与索长之间的关系,建立索支撑系统的静力学模型。在此基础上,根据索端张力与舱体位移之间的非线性关系推导出作用在舱体上的柔索合力与舱体位移之间的增量关系,从而获得系统静刚度矩阵的解析表达式。利用数值算例证明分析方法的正确性,在算例中给出索支撑系统在某点处的刚度矩阵及其在工作空间内的刚度分布。分析结果表明索支撑系统绕舱体中轴的转动刚度相对薄弱。

绳索-弹簧机构工作空间分析

对于绳索牵引并联机构,因绳索只能承受拉力而不能承受压力,因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动,冗余驱动会导致成本增加,绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中,在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧,构成绳索-弹簧机构,由弹簧来提供被动力,则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例,建立模型,求解可行工作空间,分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响,采用遗传算法对机构构型进行优化,并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明,绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后,可以显著改变工作空间及其质量,为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。

“自动控制原理”课程教学改革探究与实践

本文根据"自动控制原理"课程的特点,结合多年来的教学实践,探索了体系化的教学思想,构建了课程的知识体系。给出了课程探索和实践的背景,重点是启发学生将理论与实践相结合,深化学生的知识体系认知,培养学生的全局概念;同时,运用信息技术手段辅助教学,提高教学质量和效率;综合运用多种教学方法设计教学过程,培养学生的创新能力。