复杂激励环境下智能柔性空间机械臂的振动主动控制机制及试验研究

In order to deal with the vibration problems of flexible space manipulators and improve control precision of trajectory tracking, it is of great importance to study vibration control of space manipulators. A flexible space manipulator is a complex dynamic system which couples with multi-rigid-body dynamics and elastic vibration. The study contents include: ① Embed Intelligent material into the manipulators as actuators. And establish a coupled dynamic model with rigid body motion and flexile vibraion. ②Study methods of modal decoupling based rigid-flexible coupling system, and establish independent modal control method for eliminating elastic vibration and torsion vibraion independently. ③Study control methods of the rigid-flexible model with complex excitations. Propose a multi-filter signal processing method and a time series forecast control method. ④Establish experimental system of a flexible manipulator with two links. This project refers multidisciplinary including active vibration control, multi-body dynamics and signal processing. The research is important to the developing of space exploration.

柔性空间机械臂运行过程中产生的振动直接影响其轨迹跟踪和定位精度，特别是高速运转时，它的启动、停止时间明显缩短，更易诱发剧烈的周期振动，严重降低系统可靠性能。本项目以抑制高速柔性空间机械臂的振动为目标，进行振动控制机制和试验验证方面的研究。主要内容包括：①以压电智能材料作为控制作动装置嵌入机械臂内部，结合各部件材料及力学特性，采用一次刚柔耦合建模理论建立空间机械臂刚体运动-弹性振动的刚柔耦合受控模型；②研究受控模型的解耦处理方法，实现机械臂弹性弯曲振动和柔性关节扭转振动的独立控制； ③研究系统碰撞冲击等复杂激励环境下的振动控制机制，采用多重滤波等方法获取有效的控制信号，分析信号处理时滞对系统稳定性的影响，结合稳定性切换理论和预测控制设计稳定有效的控制系统；④建立两关节柔性机械臂系统，对理论研究结果进行试验验证。本项目涉及振动控制、多刚体运动控制和信号处理等领域，对空间探索的发展具有重要意义。

柔性空间机械臂服役过程产生的振动直接影响其轨迹跟踪和定位精度，特别是骤停或接触碰撞情况下更易诱发剧烈周期振动，严重降低系统可靠性。本项目以柔性机械臂系统为研究对象，结合智能压电材料和驱动电机实现柔性机械臂的位置控制和振动抑制。具体完成内容包括：.①以压电智能材料作为控制作动装置嵌入机械臂内部，结合各部件材料及力学特性，采用有限元方法建立刚柔耦合受控模型；②研究受控模型的解耦处理方法，结合奇异摄动方法有效实现快、慢变子系统分离，得到机械臂刚柔耦合的动力学求解方法； ③研究系统在复杂激励环作用下，采用滤波带来的时滞问题，分析信号处理时滞对系统稳定性的影响，结合维度扩展方法设计稳定有效的控制系统；④根据建立的柔性机械臂试验系统进行相关试验验证，获得有效的振动抑制效果。本项目涉及振动控制、多刚体运动控制和信号处理等领域，对空间探索的发展具有重要意义。