闭链级混联式液压机械臂运动控制方法

针对含有多个闭链结构的液压机械臂非线性强、控制精度低等特点,采用了虚拟分解控制方法消除了系统非线性引入的误差,以提高其控制精度。首先,根据驱动方式不同将整个机械臂分解为四类结构,针对每一类结构再将其虚拟分割成每一子系统,对每个子系统分别建立了刚体动力学模型、液压执行器流体动力学模型;然后,基于刚体动力学模型和流体动力学模型分别设计了刚性连杆控制律和液压执行器控制律,其前馈控制量和误差反馈量是高精度控制的基础;最后,使用Simulink的Simscape模块建立了该机械臂的多物理域混合模型,进行了轨迹跟踪效果验证,同时引入了控制性能指标,在不同机械臂的液压执行器空间进行了计算。研究结果表明:相比于比例-积分-微分控制器,基于虚拟分解控制理论搭建的控制器控制精度提升较大,单关节平均绝对误差最大降低了88.9%,且控制效果与其他较先进液压控制器的性能指标相近。针对含复杂闭链结构的混联式液压机械臂,采用虚拟分解控制理论能有效提升控制精度。

面向混联液压机械臂的高精度运动控制方法

针对串并混联液压臂中因结构耦合和系统非线性导致其末端位置控制精度差的问题,基于虚拟分解建模方法和液压系统控制理论,提出了一种混联液压臂的高精度运动控制方法。该方法通过对系统进行精确建模,消除了传统液压臂控制方法由于忽略结构耦合和系统非线性而引入的误差,从而提高了运动控制精度。首先,将混联液压臂复杂的串并联驱动结构分为摆动缸驱动的开链结构、活塞缸驱动的闭链结构和活塞缸驱动的并联结构3类,并根据3类结构的特征将机械臂进一步虚拟分割成简单的子系统;然后,根据刚体动力学方程和流量连续方程分别建立了各子系统的动力学模型和液压执行器驱动模型,通过引入基于模型的前馈控制量和实时位置误差的反馈控制量设计了面向混联液压机械臂的高精度运动控制器。在七自由度混联液压机械臂试验平台上对该方法的有效性进行验证,结果表明:与传统PID控制器相比,采用该方法后液压臂末端在x和z方向的误差分别从59.63mm和19.6mm降低至11.17mm和6.48mm,仅为PID控制器的18.73%和33.06%,有效提高了混联液压机械臂的运动控制精度。

基于VMD和双模EMPC的含不确定源荷虚拟电厂优化调度

提出基于变分模态分解和双模经济模型预测控制的虚拟电厂(VPP)优化调度方法。首先,对于风电、光伏、负荷等原始功率曲线,分别通过经鲸鱼算法参数优化的变分模态分解算法进行处理,并利用互信息熵重构形成新的高、低频分量;然后,考虑高、低频分量频率特征以及可控设备不同运行特性分别设计VPP高低频优化调度模型。在此基础上,提出基于双模经济模型预测控制的VPP优化运行控制策略,模态1通过经济模型预测控制改善运行经济性,模态2借助设计的辅助控制器维持跟踪性能。最后,算例分析表明,经参数优化后的变分模态分解信号重构效果更好,提出的双模经济模型预测控制策略可协调各设备出力,在确保VPP跟踪稳态最优点的基础上可提升经济性。

车辆动态控制与四轮转向集成研究

基于ADAMS/CAR建立了某车辆虚拟样机模型,分别对二轮转向下,无制动、后内轮制动及四轮全制动三种情况下的运动特性和受力特性进行了比较分析.结果表明,在后内轮制动与四轮全制动情况下,转弯具有较好的稳定性和路径跟踪性.对车辆动态控制与四轮转向集成、无制动四轮转向及二轮转向进行了对比分析.仿真结果显示,车辆动态控制与四轮转向集成控制不仅可以保证高速转向的稳定性,同时高速转向的灵活性也得到了提高,这对减少高速行驶时道路交通事故的发生具有重要意义.

基于虚位移分解与伺服轨迹约束的机械系统跟踪控制

建立在Udwadia和Kalaba方程上的伺服约束跟踪控制方法要求系统的初始条件必须与跟踪约束方程相容。针对该问题,利用广义虚位移投影分解方法,将跟踪约束误差转化为广义坐标误差与广义速度误差,通过提出系统跟踪控制总误差的概念,提出一种可以消除该误差的控制力计算方法。该方法可以实现对系统初始误差的补偿。利用该算法对系统初始跟踪误差的可控性,将其与基于Udwadia和Kalaba方程的伺服约束跟踪控制算法结合,实现了不相容初始条件下的约束系统轨迹跟踪控制。以平面2自由度机械手臂为仿真算例,对该控制算法在轨迹跟踪控制中的应用进行仿真研究。仿真结果表明,该方法可以解决机械系统跟踪控制中的初值不相容问题,同时对约束违约进行了抑制,提高了控制精度及稳定性。

带扩展卡尔曼滤波的柔性关节机器人虚拟分解控制

针对柔性关节机器人在非完全状态反馈条件下的轨迹跟踪控制问题,本文提出一种基于虚拟分解控制(virtual decomposition control,VDC)理论和扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filtering,EKF)观测的控制方法.首先,考虑模型参数的不确定性和外界扰动因素,分别设计刚性连杆子系统和柔性关节子系统的虚拟分解控制律.然后,为突破现有VDC方法依赖于全状态反馈测量的局限,设计一种基于EKF的间接状态观测器,实现了仅需电机侧位置和速度测量而不需连杆侧任何状态信息测量的闭环控制.此外,结合虚拟稳定和李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明.最后,实例对比仿真验证了所提出控制算法的有效性,且相比于基于传统拉格朗日整体动力学的典型算法,具有更优的轨迹跟踪性能.

面向WTAs的VHR双臂避碰操控算法

针对虚拟仿人机器人(VHR)处理工作空间多目标区域(WTAs)避碰操控问题,先基于齐次变换矩阵和链式相乘法则,建立了VHR双臂机理正向运动学模型,进而推导了两种求解VHR双臂逆运动学的公式(DLS-SVD法和基于链式解耦的解析法);其次,建立了WTAs的数学模型,并以WTAs位姿为操控目标,提出了融合正向和逆向运动学及其双向快速搜索随机树算法的VHR双臂避碰操控算法;最后,通过三维仿真建立VHR虚拟样机,验证了提出算法的正确性和有效性。

伺服约束控制中基于广义虚位移分解的约束违约抑制

基于Udwadia和Kalaba方程的伺服约束控制理论可以较好地应用在机械系统的轨迹跟踪控制中。在伺服约束控制中,对约束系统动力学模型的数值积分过程会产生对低阶约束的违约,同时还存在初始值不相容引起的控制偏差甚至系统不稳定问题。利用系统广义质量矩阵的乔利斯基分解,将描述系统的广义虚位移向量经过变换,在约束流形上分解为约束方向与约束允许方向,从而分离出速率约束及坐标约束违约部分,在此基础上推导出修正公式。以二自由度机械臂为仿真对象,在伺服约束轨迹控制中的应用进行了仿真研究。结果表明,基于虚位移分解的方法可以对伺服控制中的约束违约进行抑制,同时也可以解决系统初始条件不相容引起的问题。

交直流混联系统一体化日前现货市场优化出清方法

随着电力现货市场建设的推进,可控高压输电技术具备通过市场主导的能量管理方式实现对系统资源进行优化配置的能力。文中基于Benders分解方法对交直流混联系统的交流潮流安全约束机组组合(SCUC)优化调度问题进行求解。将直流系统的运行模式等效为虚拟电机对(VM)模型以跟踪市场运行参数变化进行基于安全约束经济调度(SCED)的市场出清,并建立了考虑偏差控制、直流系统过网网损和转运费的优化调度SCUC和市场出清SCED的协调模型,提出了考虑静态安全校核的交直流混联系统在电力现货市场环境下一体化协调出清的方法。通过基于电压源换流器的高压直流系统直接参与批发市场的出清应用为例,验证了市场出清模型和方法的有效性。

基于虚拟分解控制的液压足式机器人单腿稳定阻抗控制

虽然非线性模型控制法可以很好地解决机器人柔顺性力接触问题,但也增加了复杂机器人高非线性动态建模控制的复杂度.对此,本文提出了一种基于虚拟分解控制的液压足式机器人单腿稳定阻抗控制.首先,给出了虚拟分解控制的数学基础.然后,将液压足式机器人单腿与无质量虚拟机械手串联成一个合成机械手,利用虚拟分解控制方法将合成机械手分解成由连杆和关节被控体组成的子系统链,运用虚拟分解控制的虚拟功率流和虚拟稳定性特性分析各子系统和无质量虚拟机械手的运动学、动力学、控制及虚拟稳定性,同时分析合成机械手的环境交互动态稳定性,接着给出一种既能保证系统稳定性又能实现理想阻抗性能的系统控制律增益.最后,将其运用到液压足式机器人单腿系统中进行验证,实验结果证明该方法不仅可以有效地减小机器人接触力,还能很好地跟踪目标阻抗.

一种多自由度康复外骨骼机械臂的虚拟分解控制

为满足脑卒中患者康复训练的需求,康复外骨骼机械臂需要具有多个自由度。项目采用的康复外骨骼机械臂具有5个自由度,排除运动相对独立的腕关节,仍需要对机械臂剩余4自由度进行高精度控制,从而保证患者康复的安全性、舒适性及康复的有效性。多自由度串联机械臂具有高度的非线性,增加了其建模控制的复杂程度。利用虚拟分解控制理论,将复杂系统分解为几个简单的子系统进行分析及控制,再将所有子系统控制器组建成系统虚拟分解控制器,降低其动力学建模复杂程度,大大控制减少计算量,便于提高系统响应性。采用Simulink与ADAMS对机械臂进行联合控制仿真及实物试验,与采用固定重力补偿的PID控制方法进行了对比。结果表明,对于高度非线性系统,虚拟分解理论的控制效果比PID方法好。