中心角度调节,结束区柔性机械臂振动控制单链接

辛格Narinder Bhangal¹,拉吉夫·夏尔马²

副教授,仪表和控制Engg称,幼虫,Jalandhar,印度旁遮普
副教授,部门机械Engg LPU, Jalandhar,印度旁遮普

文摘

准确灵活的链接的轨迹监管是一项非常具有挑战性的任务。在目前的工作,一个连接柔性机械手与研究一直被视为附加压电补丁。模型自由像Proportional-Integral-Derivative控制器(PID)类型的补偿器提供更好的监管中心角度相比,基于H∞优化控制器。然而,提示(结束-区)振动可以更好地使用后补偿。PID控制器已申请中心角度监管和H∞控制器应用于压电致动器,以减少振动。不同的鲁棒控制算法已经应用。比较闭环系统的性能研究显示每个控制技术的相对优缺点。

关键字

灵活的链接操纵者,H∞控制器,μ-synthesis控制器,H∞循环形成的控制器

介绍

机器人机械手被广泛用于帮助在危险,单调,乏味的工作。大多数现有的机器人机械手的设计和构建的方式来最大化刚度,以最小化末端执行器的振动实现有利的位置精度。这么高的刚度是通过使用重型材料和笨重的设计。因此,现有的沉重的刚性机械手是效率低下的功耗和速度对操作负载。对于这些目的是非常可取的构建灵活的机器人机械手。这些相互冲突的需求之间的高速度和高定位精度使机器人装配任务具有挑战性的研究问题。为了提高工业生产率,应减少武器的重量和/或增加他们的速度操作。由于这些主题的重要性和有用性,全世界的研究者们现在一天”年代从事柔性臂动力学和控制的调查[1 - 5]。

为了实现高精度定位,使用尖端位置测量是至关重要的。施密茨在[6],佳能和启动控制柔性臂的顶端定位实验通过测量从一个提示定位传感器作为反馈输入。他们设计了一个线性二次高斯(LQG)控制器和结果提出一个令人满意的阶跃响应和准确定位。然而,LQG控制器并不健壮的建模错误。如果建模错误认为,基于H∞鲁棒控制器优化,是最好的选择。

提高灵活链接的振动衰减属性,附加的传感器和致动器可以应用[7]。建模时灵活的链接,假定模式方法或有限元法通常用于获得的离散动态模型灵活的链接。平行线,研究人员一直在强化在过去的二十年里关于使用智能材料结构主动振动控制方法。广泛使用的智能材料结构振动控制的压电材料,因为他们有可取的特点。基于这些特点,使用压电材料作为传感器和致动器。利用压电陶瓷致动器(如锆titnate或钛酸铅补丁)连着灵活的链接,该链接可以抑制振动通过结合中心运动控制和控制的压电陶瓷致动器。压电陶瓷片的上下文中控制设计、太阳等[8]研究了柔性连接阻尼的振动主动控制问题使用一个组合方案中心PD(比例导数)反馈和线速度(所谓„l型”)压电陶瓷致动器的反馈。ref。[9]肖等人表明,l型控制的分布式压电补丁只是条件稳定,以确保稳定,压电陶瓷片必须放置在点的曲率链接不会改变整个域的补丁。为了安全起见,建议仅在集线器或压电陶瓷块被放置的梁,以确保满足这个条件。这种工作是扩展到旋转悬臂梁在引用(- 11)。 Only recently, Gurses et al [12] investigated on a new shape sensor, ShapeTapeTM from Measurand Inc. It was used as an effective feedback sensor for active vibration damping of the flexible link. ShapeTapeTM is an array of fiber optic curvature sensors laminated on a thin flexible ribbon substrate/tape, arranged to sense its bends and twist. This resulted in a more effective vibration damping controller. Many control strategies has been applied such as velocity feedback [8], neural networks [13], genetic algorithms [14],adaptive control [15], fuzzy control [16] and so on. Positive position feedback (PPF) was introduced by Goh and Caughey in 1985 [17] for the control of flexible structures. An autonomous control technique was developed using online pole zero identification to design optimal feedback compensator [18]. Normally, PPF control is not optimal for all the modes. Its tuning for optimality for any particular mode reduces the damping effect for other modes of interest. In reference [19], the condition for optimality is provided. It has been observed in the present work that model free control like PID can provide better hub angle regulation as compared with H∞ optimization based controllers. However , the tip (end- effecter) vibrations can be better compensated using the later. PID controller has been applied at hub for hub angle regulation and H∞ controller is applied at the piezoelectric actuator to reduce the tip vibrations. Different robust control algorithms (H∞ , μ - synthesis based controller and H∞ based loop shaping controller ) have been applied at the piezoelectric actuator. A comparative performance study of the closed loop system shows the relative merits and demerits of each control technique

灵活的链接机械手

答:数学模型

灵活的连接是使用有限元方法建模,为柔性梁刚性连接一个旋转中心如图1所示(一个)。欧拉-伯努利梁理论应用和轴向变形是被忽视的。使用n个元素灵活的链接是组装,中心节点0和技巧是节点n。我们首先考虑梁的第i个元素,张扩展节点之间和我有两个与压电陶瓷片表面粘结,因此称为piezo-beam元素如图1所示(b)。横向偏转的第i个元素被定义为

张x轴是在节点并与变形piezo-beam元素。应用边界条件对挠度和保理的节点自由度生产埃尔米特函数形状,通过陶瓷N1 [20]

在L表示第i个元素的长度。N (x)是形状函数矩阵和di (t)是两个平移向量包含节点自由度——张(dy(张)节点和dy(我)节点i)和两个旋转(φ(张)节点张和φ(我)节点i)。第i个元素的动能和应变能量方程给出

拉格朗日方程给出的第i个元素

在目前的工作,高频动力学的影响被考虑通过使用提要项。非结构化的不确定性没有被考虑。摄动参数可以书面形式给出形成系统标准配置来表示。

不确定性矩阵Δ,对应参数的变化是一个对角矩阵。

它包含九个摄动参数。模型包含两种模式。有四个摄动参数在每个模式。9日参数对应于馈通项。通过这种方式,真正的和复杂的不确定性容易分离[22]。系统不确定性的形式可以表示实际参数不确定性和复杂的不确定性通常可以从基于有限元模型。控制器设计只考虑第一种不确定性,更好的鲁棒稳定性和性能相比。通过结合不同的模式,为多种模式生成的模型可以如视图.Fig所示。5显示了标准M-Δ配置。图7显示了标准的H∞配置。 Where W1 and W2 are weighting functions used for controller design. W1 is the performance weighting function and W2 is the control weighting function as shown in the fig 7.

c .实验设置

这里使用的柔性臂由钢梁(950毫米x 36毫米x 1.4毫米)的直接夹紧轴Glentic通用4040 - 41直流伺服电机刷。实验设置的一个例证是fig.8所示。汽车是由Glentek GA 377脉冲宽度调制伺服放大器。电机的连续失速转矩3.54 Nm和58赫兹的最大带宽。电动机的轴角编码器被用来测量角度旋转中心。它有一个最小数为0.072。MA-17高压放大器用来放大信号给压电陶瓷致动器。红外发光二极管(LED)和滨松年代1352年位置敏感探测器是用来测量梁的挠度。LED是固定在顶部的中心。滨松C 5923信号处理单元被用来驱动红外LED。 A dSPACE DS 1103 controller board was used for real time control application. A sampling frequency of 30 kHz was used in order to avoid aliasing.

控制器设计

答:中心角度调节

中心角度规定了模式搜索技术上使用PID控制器设计。PID控制器的参数设计使用仿真软件MATLAB的优化工具箱的反应。模式搜索算法。模式搜索算法计算的点序列越来越接近最优点。在每个步骤中,该算法搜索称为网格的点集,在当前的点,点上一步计算的算法。算法形成了网格通过添加当前指向一组固定的常数倍向量称为模式。如果算法找到一个点在网格,提高了目标函数在当前时刻,新的点成为当前点算法的下一步。间隔定时器t1(低)t4(低)和t1(上)t4(上)选择根据实际跟踪轨迹显示在图9所示。

b . H∞控制器设计

H∞解公式使用解决方案的两个代数黎卡提微分方程(是)。一个是:

c . H∞循环塑造控制器设计

H∞鲁棒镇定这样的扰动,因此开发设计方法,H∞LSDP[22],可以放松限制数量的右半边面波兰人和生产之间没有pole-zero取消名义模型和控制器的设计。这种方法不需要迭代过程来获得一个最优解,从而提高了计算效率。使用使用,W1和/或补偿器,W2,标称系统的奇异值G修改给循环所需的形状。标称系统和加权函数W1和W2组合形成的系统,g, g = W2GW1。假设W1和W2are这样GS不包含隐藏的不稳定模式。反馈控制器,KS,是合成强劲稳定的规范化左互质分解GS,稳定裕度与ε。它可以显示[22],如果ε不小于0.2,频率响应的KSW2GW1 W2GW1相似。另一方面,如果太大,可以实现的ε表明这可能是一种过度设计情况下的鲁棒性,这意味着系统的性能可能会提高使用啤酒γ在计算KS。Kfinal最后反馈控制器,然后由结合H∞控制器KS,与权重函数W1和W2

Kfinal = W1KSW2 (23)

MATLAB命令„ncfsyn”可以用来设计循环形成基于控制器的设计过程。这个命令综合控制器强劲稳定家庭的系统由一个球的规范化公司主要因素的不确定性系统的描述。

d .μ-SYNTHESIS控制器

为鲁棒稳定性和鲁棒性性能,应找到一个稳定控制器K这样

提出了一个迭代的方法来解决(24)在裁判[22]。方法叫做D-K迭代法,是基于以下优化方法,解决了

稳定控制器K和对角线常数比例矩阵D

缩放矩阵D在哪里定义[22]。总之μ-synthesis算法

EXPERMENTAL结果

PID和H∞控制器或者两者都是首次应用于中心。中心的阶跃变化的角度位置,提示负荷为0.1公斤,发现中心轨迹角下面是更好的与PID控制和提示减振是更好的与H∞控制器所示fig.10同样,摄动系统与0.4公斤提示加载,更好的跟踪中心轨迹角可以由使用PID控制器相比,H∞控制器在fig11所示的中心。因此决定运用PID控制器在中心和三个不同的鲁棒控制器(H∞控制器、μ-基于合成和H∞控制器回路成形控制器)被应用于压电致动器连接到灵活的链接。

图12显示了中心角度调节获得通过使用PID控制器在中心和不同的鲁棒控制器的压电致动器0.1公斤负荷。最终引发振动响应与不同的鲁棒控制器和0.1公斤fig.13所示的负载和控制电压应用于压电贴片使用各种鲁棒控制器fig.14所示。

这些控制器摄动系统的测试与0.4公斤负荷。图15显示了角响应中心。Fig.16 fig.17显示提示响应和控制电压应用于压电片。

结论

研究系统的性能与不同的鲁棒控制技术应用于压电致动器,发现更好的结束区振动抑制是获得与PID控制器在中心和任何一个鲁棒控制器的压电致动器与0.1公斤和0.4公斤负荷。但在摄动系统,稳定时间更比标称系统就比较所需的控制努力抑制振动使用不同控制方法如表1所示。发现名义系统与基于0.1公斤提示加载LSDP控制器需要最低控制努力,然而摄动系统的H∞控制器要求的最低控制努力同样的减振效果。因此用于挑选和地方的机械手的目的,H∞控制器最好的服务目的。

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