基于预测函数控制算法的柔性结构振动抑制研究

改进型负输入整形与最优控制结合的振动抑制方法赵志刚;游斌弟;赵阳【摘要】A new vibration reduction control strategy was presented.With it,the modified negative input shaping (MNIS)technique was combined with the optimal control method for active vibration control of flexible systems,such as, a flexible manipulator.An optimal state feedback controller was designed for the flexible manipulator maneuver and its vibration eliminating.To improve the performance of vibration control and reduce the system response time duration,a modified negative input shaper was used as a feed-forward controller,it was designed to utilize the vibration frequency and damping ratio of the whole closed loop system with a linear quadratic regulator (LQR).Combining the feed-forward control and feedback control and utilizing the respective advantages,the performance of the control system can be improved.Both analytical and numerical results were presented to demonstrate the effectiveness of the hybrid control strategy.It was shown that the proposed method can be used to reduce the time delay of the system's response and increase the response speed of the system.%针对诸如柔性机械臂这类柔性系统的主动振动控制问题，提出了基于改进型负输入整形和最优控制结合的振动抑制方法。

机器人关节振动抑制控制技术研究与应用随着机器人技术的不断发展，机器人的应用领域也越来越广泛。

然而，机器人在工业生产线上的应用中，常常受到振动的干扰，使得机器人的精度和效率受到影响。

因此，机器人关节振动抑制控制技术的研究与应用，成为了机器人控制领域一个重要的研究方向。

一、背景分析机器人关节振动抑制控制技术的出现，是由于机器人应用范围的扩大所带来的问题。

由于机器人在生产线上的应用领域越来越广泛，机器人需要具备更高的精度和效率。

同时，由于机器人的高速运动会产生振动，从而引入了误差，导致机器人精度下降。

因此，机器人关节振动抑制控制技术的研究与应用，成为了机器人控制领域一个重要的研究方向。

二、机器人关节振动抑制控制技术的研究机器人关节振动抑制控制技术的研究方向主要分为两类，一类是主动振动控制技术，另一类是被动振动控制技术。

（一）主动振动控制技术主动振动控制技术是指通过控制机器人臂或关节运动来减小振动幅度和频率的技术。

主动振动控制技术主要包括增益调整控制、自适应控制和预测控制等。

其中，增益调整控制是利用反馈控制理论建立振动抑制控制器，通过改变控制器的控制增益来控制机器人的振动。

其优点是简单明了，易于实现；缺点是需要对机器人模型进行准确建模，否则控制效果不佳。

自适应控制是通过自适应算法对机器人模型的特性进行识别，以此进行控制。

其优点是不需要精确的机器人模型，适用性较广；缺点是自适应过程较为复杂，处理时间较长。

预测控制是利用数学模型对机器人关节的未来运动进行预测，从而进行振动抑制控制。

其优点是可以在有限的时间内对振动进行有效的控制；缺点是建立预测模型的难度较大，建模精度对控制效果有很大影响。

（二）被动振动控制技术被动振动控制技术是指通过机械或材料的特性来吸收或隔离振动的技术。

被动振动控制技术主要包括弹性材料的应用、阻尼器的应用和主动质量调节等。

其中，弹性材料的应用是将某些材料对机器人关节的振动特性进行调整，从而实现振动控制。

组合柔性机械臂动力学特性与振动抑制性能的研究的开题报告一、研究背景柔性机械臂具有结构灵活、可冗余、质量轻等优点，在机器人领域中具有广泛应用前景。

然而，在实际应用过程中，柔性机械臂所带来的振动问题给控制系统带来了很大的挑战。

因此，研究柔性机械臂的动力学特性和振动抑制性能，对其优化设计和精确控制具有重要意义。

二、研究目的本文旨在：1. 深入探究柔性机械臂的动力学特性，分析和建立柔性机械臂的动力学模型。

2. 研究柔性机械臂的振动抑制性能，探究影响柔性机械臂振动的因素及其对振动抑制的影响。

3. 组合动力学与振动抑制分析，提出有效的柔性机械臂振动抑制方法并进行实验验证。

三、研究内容本文将围绕柔性机械臂的动力学特性和振动抑制性能展开研究工作，具体包括以下内容：1. 对柔性机械臂的动力学特性进行深入分析，在建立动力学模型的基础上模拟分析柔性机械臂的运动学和动力学特性。

2. 探究柔性机械臂振动的原因，包括结构刚度、质量分布等对柔性机械臂振动的影响，并对振动抑制技术进行综述。

3. 基于系统鲁棒控制的方法，提出柔性机械臂的振动抑制控制方法。

设计集中式控制器并验证其有效性。

4. 通过实验验证柔性机械臂的动力学特性和振动抑制性能，并与其他已有的方法进行比较，以评估所提出的方法的有效性和实用性。

四、研究意义本文研究的柔性机械臂动力学特性和振动抑制性能对提升柔性机械臂的精度和控制能力具有重要意义，具体有以下几点：1. 深入研究和掌握柔性机械臂的动力学特性和振动抑制技术，有助于优化柔性机械臂设计，提高其控制精度。

2. 所提出的柔性机械臂振动抑制控制方法，为柔性机械臂的实际应用提供了一种新的控制途径，具有重要的理论和实用价值。

3. 相关研究成果可以为机器人领域中的其他柔性结构的动力学分析和振动抑制技术提供有益借鉴和参考。

五、研究方法和技术路线本研究主要采用理论分析和实验验证相结合的方法，具体技术路线如下：1. 对柔性机械臂的动力学特性和振动抑制技术进行综述和分析，总结相关理论和方法。

刚柔耦合动力学——轻量化协作机器人设计与控制的力学基础——解读《机器人刚柔耦合动力学》尹海斌【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2018(029)024【总页数】4页(P3020-3023)【作者】尹海斌【作者单位】武汉理工大学湖北省数字制造重点实验室,武汉,430070【正文语种】中文1 机器人技术的发展趋势1.1 背景与现状随着技术的发展、社会的进步，人们越来越意识到人与自然和谐相处的重要性，其中最重要的一条就是减少对大自然的索取与排放，为此，人们提出了工业发展的节能减排约束机制。

机器人技术的发展也应该遵循这一工业化发展的大趋势，向节能化方向发展。

另外，随着用工成本的上升、社会老龄化的加剧，机器人越来越被看好，它是一个可以替代人工去做很多繁重和重复性工作的工具；要提高机器人的人工替代率，机器人必须具有一定的智能。

因此，节能与智能是机器人技术发展的两大趋势。

现有的绝大多数机器人结构设计是结构刚度最大化,以减小机器人结构的振动而实现精确的运动定位。

但是，这种最大化刚度结构的机器人用材多、不经济，结构笨重不节能，惯量大而动态性能差，生产效率低。

况且，不存在绝对的刚性结构,一定条件的输入会激励出一定频率的振动，即使设计成最大化刚度结构，机器人在高速重载的工作条件下同样面临着结构振动的问题。

因此，要提高机器人运动的精度(降低柔性结构振动)，往往会以牺牲其性能指标(节能经济、动态性、效率、工作条件)为代价。

机器人大量应用于工农业生产，但其人工替代率仍不足1%，这是因为机器人还不能够如人一般自主适应外界环境和目标的变化，进行自主安全的运动和操作。

柔顺结构或柔顺关节具有很好的适应性能，能够适应环境和目标的变化，能够感知操作者的动作意图，但同时也会存在结构振动从而带来运动控制精度的问题。

柔性机器人轻量节能，对环境和目标的变化具有适应性，但也存在因为结构刚度较低而导致的结构振动的问题。

要想充分利用柔性结构的优点，关键是要解决柔性结构带来的振动问题。

硕士学位论文柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究（学术型）RESEARCH ON THE CONTROL STRATEGY OF VIBRATION SUPPRESION FOR THEFLEXIBLE-JOINT MANIPULATOR(Academic)任义哈尔滨工业大学2013年7月国内图书分类号：TP241.3 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开工学硕士学位论文柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究（学术型）硕士研究生：任义导师：金明河教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2013年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TP241.3U.D.C: 621Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON THE CONTROL STRATEGY OF VIBRATION SUPPRESION FOR THEFLEXIBLE-JOINT MANIPULATOR(Academic)Candidate：Ren YiSupervisor：Prof.Jin MingheAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Mechatronics Engineering Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Defence：July, 2013Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论摘要谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在机器人关节系统中，以获取高减速比，对关节力矩的检测和实现关节的模块化。

浙江大学博士学位论文柔性结构振动系统鲁棒降阶模态控制姓名：***申请学位级别：博士专业：固体力学指导教师：徐博侯;林逸19980701摘要随着空间技术的发展，大型柔性结构振动的主动控制受到国内外学者的日益关注，如何合理设计柔性结构降阶控制器，保证满足鲁捧性、稳定性、合理性能以及可靠性的要求，成为这一研究方向的重点攻关课题。

本文在建模（控制模型的建立）和鲁棒控趔作了一些初步的研究。

１．基于系统的Ｈ：性能指标，提出了一种新的控制模态选择方法。

（这种方法是根据系统传递函数矩阵的Ｈ２范数，来量化系统振动模态（包括密频模态子系统）在控制设计中的相对重要性，为控制模态的选择提供了定量的依据；而且分析每阶模态对两组输入（模型干扰和控制输入）／输出（调节变量和测量输出）构成的四个传递函数矩阵的Ｈ２范数的贡献价值大小，可以定量分析模态的能控性、能观性、可干扰性以及对应Ａ／ｓ设置的控制权与性能指标的匹配性，因此这种模态选择方法全面考虑了激励器（Ａ）／传感器（Ｓ）的配置、外界干扰以及性能要求等因素对模态选择的影响。

并用一个数值例子作了说明。

厂２．为了减小Ｈ２控制、Ｈ。

控制以及混合Ｈ２／Ｈ。

控制设计的计算量，本文将独立模态空间控制（Ⅱ“ＳＣ）设计思想引入这三类控制设计中，这样不但可以大大减小控制设计的计算量，而且有利于在线实时控制。

伯于独立控制每一个模态，防止控制能量流入剩余模态系统，因此ＩＭＳＣ设计可以将溢出现象减小到最低限度。

另外还讨论了ＩＭＳＣ设计的实现问题。

最后用一悬臂梁振动主动控制进行数值仿真加虬说明≯一ｔ，３．从矩阵特征值摄动的角度分析了溢出产生的机理；ｆ将截断的剩余模态视为原全阶模型的一个加性（或乘性）非结构化模型摄动，得到了溢出稳定的充分条件，采用频域加权ＬＱＧ控制（Ｈ：控制）和鲁棒Ｈ．控制来设计振动鲁棒控制器，使得得到的闭环控制系统对这一类模型摄动具有鲁棒性，以致能抑制系统的溢出现象。

另外，为克服、Ｈ．控制设计中由于将时域性能指标转化为频域性能指标引起的误差以及保守性，ｊ本文提出了一种直接考虑时域性能指标的Ｈ。

基于正逆压电效应的高能效振动半主动控制方法作者：虞丽塬吴义鹏刘轩裘进浩季宏丽来源：《振动工程学报》2023年第04期摘要基于同步開关阻尼（Synchronous Switch Damping，SSD）技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电路中的同步开关和等效LC振荡电路，实现压电电压的同步翻转，使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位，用较低的能耗高效地抑制结构振动。

然而常见的压电驱动元件如压电叠堆、压电纤维复合材料等，其允许工作电压变化范围是不对称的，采用对称翻转的SSD技术难以充分利用压电元件的机电转化性能。

提出了一种基于双向压电效应的SSD技术，通过对压电电压上翻时注能、下翻时吸能的操作，最大化控制系统能效，并充分匹配压电元件的机电转化潜能。

介绍了所提SSD方法的工作原理，推导了非对称翻转条件下结构的振动衰减模型，实现了非对称翻转SSD控制电路，并通过实验进行了验证。

研究结果表明，所提SSD方法可以通过控制注能开关占空比及吸能电路等效负载自适应地调节压电电压的上、下翻转因子，最终实现高能效的结构振动衰减效果。

关键词振动控制; 振动能量收集; 同步开关阻尼; 压电; 反激变压器引言振动作为工业生产和日常生活中常见的物理现象，对其进行抑制［1］或利用［2］的研究价值不言而喻。

以结构振动控制为例，一类基于电磁和压电驱动器的分流阻尼技术得到了广泛的研究［3］。

前者利用永磁体和电磁铁之间的相对运动产生感应电动势；后者利用正压电效应产生感应电压，然后通过相应的分流电路耗散电能，最终达到抑制结构振幅的目的。

例如，Behrens等［4］使用一种并联了RC串联谐振分流电路的电磁换能器抑制结构在固有频率下的振动。

Cheng等［5］采用一种多模态电磁分流阻尼器实现柔性梁结构的半主动振动抑制。

文献［6⁃8］设计了负电阻和负电感负电阻电磁分流阻尼器，增加了系统的感应电流和阻尼，提高了结构振动的控制效果。

另外，负电感可以抵消电磁铁的固有电感，当分流电感和电磁铁的电感相等时，由线圈和分流电感组成的电路阻抗将是一个纯电阻，分流电流将与频率无关，获得了多模态振动控制的能力。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10472039);兰州理工大学学术梯队特色研究方向重点资助计划基金项目(T 200207)收稿日期:2006-11-28　收修改稿日期:2007-03-11压电材料与智能结构在振动控制中的研究与前景展望田海民1,缑新科1,2(1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州　730050;2.兰州大学力学系,甘肃兰州　730000) 摘要:智能结构具有自诊断、自适应特性,越来越多地应用于航天结构、机器人、高精度光学系统等方面。

压电材料具有正、逆压电效应,既可以作为作动器又可做传感器,因而常被应用于智能结构。

基于压电材料的特点介绍了振动控制方法,对目前智能结构在振动控制领域的应用现状进行了回顾,最后指出了今后需要解决的主要问题。

关键词:压电材料;智能结构;振动控制中图分类号:T B381 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2007)08-0007-03Application and Development Trend of Vibration ControlB ased on Piezoelectric Materials and I ntelligent StructuresTI AN Hai 2min 1,G OU X in 2ke 1,2(1.College of E lectrical E ngineering and I nform ation E ngineering ,Lanzhou U niversity of T echnology ,Lanzhou 730050,China ;2.Dep artment of Mech anics ,Lanzhou U niversity ,Lanzhou 730000,China)Abstract :Intelligent structure has the characters of self 2diagnosis ,self 2adaptation.S o it is widely used in the fields of large 2scale aerospace structure ,robot ,the high 2accuracy optical system and other areas.Sens or and actuator based on the intrinsic direct and converse piezoelectric effects of piezoelectric materials have been widely used in intelligent structures.The methods of vibration control based on the characters of piezoelectric materials were introduced.Application of piezoelectric materials in vibration control now have been reviewed and the main problems still need to s olve were raised.K ey w ords :piezoelectric material ;intelligent structure ;vibration control 0　引言随着航空航天、机器人、微电子机械等高新技术的发展,对系统振动的抑制成为各种系统设计的一个重要问题。

基于 ERA 模型辨识的H∞振动主动控制试验研究
邵敏强;陈卫东;佘重禧
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2017(036)002
【摘要】针对外扰作用下的尾撑式风洞测力模型进行H∞鲁棒控制试验研究。

采用ERA算法（Eigensystem Reali-zation Algorithm）进行模型辨识，可直接获得受控系统动力学方程。

为保证系统的稳定性和鲁棒性，结合H∞混合灵敏度优化方法设计控制器，实现受控模型垂向前两阶模态的振动控制。

试验结果表明，结合ERA 辨识模型设计的控制器能够有效抑制模型振动，能够将前两阶振动幅值抑制到无控制时的10％以下。

【总页数】5页(P72-76)
【作者】邵敏强;陈卫东;佘重禧
【作者单位】南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京210016;南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016;南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.在线实时辨识控制通道模型的振动主动控制 [J], 黄全振;朱晓锦;高守玮;高志远;邵勇
2.基于Benchmark模型的柔性大浮空结构模态参数辨识及振动主动控制方法 [J], 孙颖宏;陈奚;
3.基于Benchmark模型的柔性大浮空结构模态参数辨识及振动主动控制方法 [J], 孙颖宏
4.基于模型实时辨识自适应控制算法的时变机械系统振动主动控制 [J], 郑洪波;杨德权;黄志伟;张志谊
5.基于频域辨识模型的柔性板鲁棒振动主动控制 [J], 赖胜;王永;孙德敏
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