[发明专利]一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性机械操作臂，具体是一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制方法。

背景技术

机械臂是现代工业领域非常重要的一类工具，由于机械臂负重大、工作范围广、自动化程度高，在医疗器械、工业生产、航空领域得到了广泛的应用。在低能耗、高精度、高效率的要求下，机械臂技术不断向着轻质、高速和高精度的方向发展。

与刚性机械臂相比，柔性机械臂具有体积小、速度快、负载大等优点，但是由于柔性臂自身刚度小、模态频率低的动力学特性，在运动中容易产生残余振动，加上柔性臂结构阻尼较小，振动将持续较长时间，严重影响系统的运动稳定性和定位精度，并且频繁的振动会使系统结构产生疲劳破坏，降低系统的使用寿命。近年来，柔性臂的振动测量和控制具有重要的理论和实际意义，得到了越来越多的关注。

对柔性臂进行振动控制，通常的控制思路：利用传感器对柔性臂振动信号进行测量，通过设计合理有效的控制器构成反馈控制，实现振动抑制。目前常用的传感器有加速度传感器、压电传感器、激光传感器。但是利用加速度传感器、压电传感器这类附着型传感器势必会影响柔性臂的动态特性比如固有模态等，并且会使系统结构变得复杂，另外在某些场合传感器不易附加到柔性臂上；激光传感器则有实际应用场合有限、成本高的缺点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制方法，在柔性臂的振动测试及控制过程中不需要添加传感器，利用建立的柔性臂数学模型以及实际系统的输入和部分容易测量的输出信号，模拟出其末端的振动信号，然后通过有效的反馈控制手段使柔性臂快速稳定地到达期望位置，并且进行振动控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立柔性机械臂系统的数学模型，获取系统的模型信息；

根据假设模态法和拉格朗日原理，对柔性机械臂系统进行分析，建立动力学模型，得到外部驱动力与柔性臂末端振动之间的关系，并将动力学模型转化为状态空间模型；

步骤2：设计振动观测器；

基于步骤1中建立的柔性臂状态空间模型，设计振动观测器；振动观测器的输入包括原系统输入控制力和利用位移传感器测量的柔性臂固定端位移；输出为原系统的状态变量，包括柔性臂固定端位移、柔性臂模态坐标及两者的一阶导数；

步骤3：设计状态反馈积分控制器；

对柔性机械臂系统设计状态反馈控制器，针对状态反馈控制器存在的静差现象，引入积分控制器；综合振动观测器输出信号与系统期望信号得到误差信号，利用状态反馈控制器与积分控制器得到控制量，实现轨迹跟踪的同时抑制柔性臂的弹性振动；

步骤4：根据联合仿真效果调整控制参数；

在ADAMS中建立柔性臂物理模型，导入到MATLAB/SIMULINK进行联合仿真，若振动观测效果、控制效果不能满足要求，返回步骤2、步骤3对振动观测器增益及状态反馈控制器增益重新调节，直至控制效果达到要求；

步骤5：设计结束；

经过上述各步骤后，设计结束。

与现有的方法相比：本发明在柔性机械臂末端残余振动进行测试和控制时，不需要使用现有方法中的传感器就能得到柔性臂末端的振动信号，简化了系统结构，节约了成本。本发明同时使用带积分的状态反馈控制器，在实现对系统动态特性有效调节的同时，能够实现无偏差的跟踪指定输入。

附图说明

图1为本发明系统的实施例简图；

图2为本发明设计流程图；

图3为振动观测器设计简图；

图4为控制器结构示意图；

图5为使用本发明的柔性臂机械臂末端振动跟踪效果图；

图6为使用本发明的柔性机械臂末端位移控制效果图；

图7为使用本发明的柔性机械臂臂末端振动控制效果图。

图中：1、电机驱动器，2、伺服电机，3、减速器，4、滚珠丝杆，5、光栅尺，6、滑块，7、螺栓，8、导轨，9、柔性机械臂，10、振动观测器，11、状态反馈积分控制器，12、运动控制卡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。