柔性机械臂动力硬化机理和变结构控制

充分考虑机场场道软土地基的特点。采用工程调研、现场测试。数值分析，室内模型模拟试验相结合，分析了典型道面结构条件下不同软土地基的沉降变形规律，道面损坏特性及其对使用性能的影响，提出了以“地基土顶面附加应力等效”为原则的飞机荷载统一换算方法。建立了“飞机荷载—机场道面—软件土地基”相互作用体系的物理力学模型。在此基础上，对飞机荷载作用下场道地基的附加应力及其时空分布以及道面结构对飞机荷载的传荷特性作了系统分析；探讨了道面结构对软土地基性状的力学响应；并提出了机场场道地基应力、沉降计算的理论与方法，场道软土地基性状评价的一般原理、流程和框架，以及以道西性能为目标的场道软件土地基设计参数及其指标建议值。 2100433B

机械臂研究背景

近年来，随着机器人技术的发展，应用高速度、高精度、高负载自重比的机器人结构受到工业和航空航天领域的关注。由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形从而使任务执行的精度降低。所以，机器人机械臂结构柔性特征必须予以考虑，实现柔性机械臂高精度有效控制也必须考虑系统动力学特性。柔性机械臂是一个非常复杂的动力学系统，其动力学方程具有非线性、强耦合、实变等特点。而进行柔性臂动力学问题的研究，其模型的建立是极其重要的。柔性机械臂不仅是一个刚柔耦合的非线性系统，而且也是系统动力学特性与控制特性相互耦合即机电耦合的非线性系统。动力学建模的目的是为控制系统描述及控制器设计提供依据。一般控制系统的描述（包括时域的状态空间描述和频域的传递函数描述）与传感器/执行器的定位，从执行器到传感器的信息传递以及机械臂的动力学特性密切相关。

机械臂建模理论

柔性机械臂动力学方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler方程这两个最具代表性的方程。另外比较常用的还有变分原理，虚位移原理以及Kane方程的方法。 而柔性体变形的描述是柔性机械臂系统建模与控制的基础。因此因首先选择一定的方式描述柔性体的变形，同时变形的描述与系统动力学方程的求解关系密切。

柔性体变形的描述主要有以下几种：

1）有限元法；

2）有限段法；

3）模态综合法；

4）集中质量法。

机械臂动力学方程的建立

无论是连续或离散的动力学模型，其建模方法主要基于两类基本方法：矢量力学法和分析力学法。应用较广泛同时也是比较成熟的是Newton-Euler公式、Lagrange方程、变分原理、虚位移原理和Kane方程。

机械臂控制策略

对柔性机械臂的控制一般有如下方式：

1）刚性化处理。完全忽略结构的弹性变形对结构刚体运动的影响。例如为了避免过大的弹性变形破坏柔性机械臂的稳定性和末端定位精度，NASA的遥控太空手运动的最大角速度为0.5deg/s。

2）前馈补偿法。将机械臂柔性变形形成的机械振动看成是对刚性运动的确定性干扰而采用前馈补偿的办法来抵消这种干扰。德国的Bernd Gebler研究了具有弹性杆和弹性关节的工业机器人的前馈控制。张铁民研究了基于利用增加零点来消除系统的主导极点和系统不稳定的方法，设计了具有时间延时的前馈控制器，和PID控制器比较起来，可以更加明显的消除系统的残余振动。Seering Warren P.等学者对前馈补偿技术进行了深入的研究。

3）加速度反馈控制。Khorrami FarShad和Jain Sandeep研究了利用末端加速度反馈控制柔性机械臂的末端轨迹控制问题。

4）被动阻尼控制。为降低柔性体相对弹性变形的影响 选用各种耗能或储能材料设计臂的结构以控制振动。或者在柔性梁上采用阻尼减振器、阻尼材料、复合型阻尼金属板、阻尼合金或用粘弹性大阻尼材料形成附加阻尼结构均属于被动阻尼控制。近年来，粘弹性大阻尼材料用于柔性机械臂的振动控制已引起高度重视。Rossi Mauro和Wang David研究了柔性机器人的被动控制问题。

5）力反馈控制法。柔性机械臂振动的力反馈控制实际上是基于逆动力学分析的控制方法，即根据逆动力学分析，通过臂末端的给定运动求得施加于驱动端的力矩，并通过运动或力检测对驱动力矩进行反馈补偿。

6）自适应控制。采用组合自适应控制，将系统划分成关节子系统和柔性子系统。利用参数线性化的方法设计自适应控制规则来辨识柔性机械臂的不确定性参数。对具有非线性和参数不确定性的柔性机械臂进行了跟踪控制器的设计。控制器的设计是依据Lyapunov方法的鲁棒和自适应控制设计。通过状态转换将系统分成两个子系统。用自适应控制和鲁棒控制分别对两个子系统进行控制。

7）PID控制。PID控制器作为最受欢迎和最广泛应用的控制器，由于其简单、有效、实用，被普遍地用于刚性机械臂控制，常通过调整控制器增益构成自校正PID控制器或与其它控制方法结合构成复合控制系统以改善PID控制器性能。

8）变结构控制。变结构控制系统是一种不连续的反馈控制系统，其中滑模控制是最普遍的变结构控制。其特点：在切换面上，具有所谓的滑动方式，在滑动方式中系统对参数变化和扰动保持不敏感，同时，它的轨迹位于切换面上，滑动现象并不依赖于系统参数，具有稳定的性质。变结构控制器的设计，不需要机械臂精确的动态模型，模型参数的边界就足以构造一个控制器。

9）模糊与神经网络控制。是一种语言控制器，可反映人在进行控制活动时的思维特点。其主要特点之一是控制系统设计并不需要通常意义上的被控对象的数学模型，而是需要操作者或专家的经验知识、操作数据等。

机械臂研究意义

与刚性机械臂相比较，柔性机械臂具有结构轻、载重/自重比高等特性，因而具有较低的能耗、较大的操作空间和很高的效率，其响应快速而准确，有着很多潜在的优点，在工业、国防等应用领域中占有十分重要的地位。随着宇航业及机器人业的飞速发展，越来越多地采用由若干个柔性构件组成的多柔体系统。传统的多刚体动力学的分析方法及控制方法已不能满足多柔体系统的动力分析及控制的要求。柔性机械臂作为最简单的非平凡多柔体系统，被广泛地用作多柔体系统的研究模型。

所谓变结构，是指当系统的状态满足一定的条件时，系统的控制结构将发生变化。变结构控制(VSC)就是当系统状态穿越不同区域时，反馈控制的结构按照一定的规律发生变化，使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外部环境扰动等因素具有一定的适应能力，保证系统性能达到期望的性能指标要求。

由于变结构控制具有抗扰性、自适应性、鲁棒性、实现容易等优点，因此变结构控制引起了人们的普遍重视。

变结构鲁棒控制发展

变结构控制的研究始于 20 世纪 50 年代，前苏联学者 Emelyanov 等提出了变结构控制概念。随后 Utkin，Itkis 等学者总结并发展了滑模变结构控制理论，奠定了滑模变结构控制的理论基础。20 世纪 80 年代以来，随着确定切换函数的系统性方法的出现和微分几何理论的发展，变结构控制开始了新的发展阶段。近二十年来，随着计算机技术和大功率电子开关器件的发展，变结构控制的实现变得越来越容易，因此该方法受到了国内外控制界的广泛重视，现已成为自动控制领域的重要设计方法，并在工程应用中得到了推广应用。

变结构控制是指系统状态达到切换函数值，系统从一个结构自动地切换到另一个确定的结构(结构是一组数学方程描述的模型)。从本质上讲它具有开关切换特性，是一种控制系统的设计方法，适用于线性及非线性系统，包括控制系统的调节，跟踪，自适应及不确定等系统。它具有一些优良特性，尤其是对加给系统的摄动和干扰有良好的自适应性。

变结构鲁棒控制分类

图 1对变结构控制作了大致的分类，变结构控制可分为两大类：

一类是不具有滑动模态的变结构控制，如Bang-Bang 控制、输出反馈变结构控制、多输入继电控制等。这一类控制只能称为变结构控制，虽然控制器可根据反馈量改变系统的结构使系统稳定于平衡位置，但系统不存在一个可滑动的面。

另一类是具有滑动模态(简称为滑模或滑模面)的变结构控制。这一类控制可称为滑模变结构控制或滑模控制，它的控制分为两个步骤：首先是系统从初始状态趋近于并到达滑模面，接着系统在滑模面上滑动并到达平衡位置。

变结构控制器都有一个切换面，如 x1，x2或者 x1 5x2，而具有滑动模态的切换面才称为滑模面。

前馈控制由于要求确定的运动规律，较为准确的动力学模型，鲁棒性差，有其自身的局限性，而全闭环反馈控制，尚难于在线实时计算反馈增益。为此，对于要求高定位精度的柔性机械臂，还须探求新的控制方法，以便实时、有效地抑制柔性机械臂的残余振动，提高其定位精度

滑模变结构控制系统的结构可在瞬时过程中改变，它可解决线性控制系统中难以解决的特殊问题，具有较好的抗扰动和抗参数摄动能力，不需精确的对象模型，实现简单，具有降阶与解祸的特性，使得控制器设计具有方便性和灵活性，在柔性机械臂的控制中已经得到应用}r虽然滑模变结构控制有其固有的优点，但也存在一些不足，如为实现滑模需取得控制系统的全部状态变量，在许多情况下是很困难的，另外滑动模态是在逻辑切换能够瞬时实现的情况下取得的，由于实际控制系统存在的时滞和回环等，必然产生高频颤动，这种颤动将使控制系统很难维持长时间的正常工作。

加速度传感器容易安装使用，工艺性及测量技术均要求不高，具有广泛的实用性}“)鉴于滑模变结构控制系统的特点和不足，从工程应用角度，将加速度反馈作为反馈变量，实现了带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制。