柔性多体时变参数系统振动主被动控制技术

Flexible multibody structures with time varying parameters are widely used in aerospace and robotic fields nowadays, however the complicated interaction of multibody motions and time varying parameters results in large scale, variable frequencies vibration or multi-frequency vibration, influencing the positioning accuracy and stability of the motions significantly. In this project, taking large flexible manipulators with time varying parameters as research objects, the following subjects are to be investigated: (1) to establish theoretical models and dynamic subspace finite element models for studying the dynamic characteristics of flexible multibody manipulators with time varying parameters and revealing the influence of time varying parameters on the system, then develop fast iterative algorithms for large-scale calculations of matrix update; (2) to design active and passive vibration control strategies on the premises of time varying frequencies and multi-frequencies，especially hybrid control algorithm, and optimize the active and passive control technology, perform control simulation of classical large-scale flexible multibody systems with time varying mass; (3) to develop the dynamic test platform and corresponding devices for testing and analyzing the performance of vibration control of such structures with various working conditions. Upon completion of the project, we will build a dynamic theory, a simulation method and an experimental technique for control of flexible multibody systems with time varying parameters, which will provide useful tools and solid foundations for the dynamic design of large-scale flexible aerospace structures and robotic manipulators.

柔性多体时变参数结构在航天领域和机器人领域应用日益广泛，但多柔体运动和时变参数的复杂耦合特性导致柔性臂易产生大幅值、慢衰减的变频振动或者多频振动，严重影响系统定位精度和运动稳定性。项目以含变参数构件的大柔性机械运动臂为具体研究对象，展开以下研究工作：（1）建立柔性多体时变系统的理论模型和动态子空间有限元模型，揭示系统的动力学机理和时变参数对系统的影响规律，开发可用于大规模矩阵更新运算的快速迭代算法；（2）设计振动主被动控制策略，特别是杂交控制算法，在变频和多频前提下，优化控制技术，实现典型时变参数-多柔体系统振动控制过程的仿真验算；（3）搭建振动主被动控制试验平台，开展多种振动控制方式的性能试验研究并研制相关硬件。通过项目研究建立柔性多体变参数系统振动控制的相关理论、仿真方法和试验测试技术，为智能机械臂结构和空天大柔性结构自主设计和创新开发提供新的参考思路。

柔性多体变参数结构具有大幅值、低频率、变频振动和刚柔耦合等运动特点，是目前动力学与控制领域的一个研究热点。针对航天航空、海洋工程和车辆工程领域中的柔性多体结构，项目开展了具有时变参数的多柔体结构的动力学响应分析及振动控制。在理论分析、数值模拟和实验研究方面的主要研究成果包括：建立柔性多体时变系统的理论模型，揭示系统的动力学机理和时变参数对系统的影响规律，对质量变化引起的阻尼特性开展了深入的分析，发现质量减小引起的附加负阻尼对结构的动力学特性有显著的不稳定的影响；利用势流理论和欧拉伯努利梁理论建立了流固耦合动力学模型，开展了变深度条件下的流固耦合动力学分析；开发了可用于大规模运算的薄膜流动类问题的有限元仿真程序；开展了变质量系统的主动振动控制研究，使用LQG控制算法和GA-PID控制算法开展了变参数旋转柔性臂和双连杆机械臂的振动控制验算；设计了一种中国古代弓形的压电作动器和圆拱形压电作动器，并对该压电作动器的作动特性进行了分析和设计优化，通过数值仿真发现这类压电作动器具有较好的位移放大特性，对悬臂梁结构具有良好的作动效果；搭建变质量-梁结构的动力学测试平台和变深度流固耦合动力学系统测试平台，开展了变质量系统的振动测量，验证了理论分析和计算仿真。针对车辆主动座椅悬架提出基于多目标粒子群算法和多目标遗传算法的滑模控制器设计方法，显著地改善了汽车的乘坐舒适性和行驶稳定性，为汽车主动座椅悬架系统的研究提供了理论依据。项目涵盖了柔性多体变参数系统振动控制的相关理论、仿真方法和试验测试技术，加深了对时变参数结构动力学规律的理解，为智能机械臂结构和空天大柔性结构自主设计和创新开发提供理论依据和实验支持。本项目共发表论文16篇，其中SCI收录10篇，申请软件著作权3项。