复杂激励下变姿态超长柔性机械臂振动机理辨识及主动控制研究

Vibration induced by complex and multiple excitations in ultra-long flexible manipulator is the main cause resulting in system's inefficient work or disastrous accident. The project aims at the mechanism identification and active control of the vibration. Firstly, the simplified models of hydraulic shock during direction-changing pump and concrete shock during concrete flowing in transfer pipe will be obtained respectively by means of theoretical and experimental methods. In consideration of coupling effect between system's components, the dynamical model of the whole system will be established and the influence rules of changing postures on dynamical characteristics will be obtained. Secondly, real-time parameter identification method of system's frequency response characteristics under changing postures will be proposed based on improved KF algorithm. And the optimization formulations of the objective performance function and the control variable will be deduced with optimal control method. Thirdly, the integral transformation method for vibration displacement measurement of manipulator undergoing large overall motion will be implemented with time-frequency domain hybrid integration algorithm. And actuator for active vibration control based on hydraulic drive device of concrete pump truck will be designed successfully. The final achievement will be an economical and reliable active vibration control method suitable for ultra-long flexible manipulator under changing postures and complex excitations. The research results will have not only theoretical and practical value for the design on much longer boom and improvement of current ultra-long manipulators of concrete pump trucks, but also reference value for vibration control on all advanced equipments with ultra-long manipulator.

本项目基于理论和实验手段建立符合工程实际的液压换向冲击及输送管内混凝土输送冲击动态载荷的简化模型，考虑系统各组成部分相互耦合作用，构建超长机械臂刚柔耦合动力学模型并获取变姿态时系统参数对动态特性的影响规律；采用改进的卡尔曼滤波算法提出存在复杂外扰和控制作用情况下变姿态机械臂的控制通道频响矩阵参数在线辨识算法，基于最优控制方法确定超长机械臂振动主动控制律中目标性能函数及控制量的优化形式；综合时域和频域混合积分优势，实现大范围运动机械臂振动位移测量的信号积分转换算法，并基于臂架现有液压驱动装置设计适用主动控制的作动机构。从而提出一套经济、可靠的适应复杂激励和变姿态条件的超长柔性机械臂振动主动控制设计方法并实现工程应用。课题研究成果不仅对研制更长臂架泵车和提升现有超长臂架泵车动力品质具有重要的理论和应用价值，而且对所有具有超长柔性机械臂的高端装备的振动控制具有重要的参考价值。

针对复杂激励下变姿态超长柔性机械臂振动大的问题，本项目基于理论和实验手段建立了符合工程实际的液压换向冲击及输送管内混凝土输送冲击动态载荷的简化模型。考虑系统各组成部分相互耦合作用，构建了超长机械臂刚柔耦合动力学模型并获取变姿态时系统参数对动态特性的影响规律。采用改进的卡尔曼滤波算法提出了存在复杂外扰和控制作用情况下变姿态机械臂的控制通道频响矩阵参数在线辨识算法，基于最优控制方法确定了超长机械臂振动主动控制律中目标性能函数及控制量的优化形式。综合时域和频域混合积分优势，实现了大范围运动机械臂振动位移测量的信号积分转换算法，试验结果表明在线转换算法误差可控制在10%以内。基于臂架现有液压驱动装置设计出适用主动控制的作动机构，提出了一套经济、可靠的适应复杂激励和变姿态条件的超长柔性机械臂振动主动控制设计方法，试验表明该方法对变姿态条件下超长柔性机械臂末端振动的衰减率超过60%。项目共发表论文8篇，其中SCI收录论文1篇，EI收录论文3篇，完成博士后研究工作报告1项。申请发明专利5项，其中PCT国际专利2项，授权专利1项。相关成果获2015年湖南省科技进步奖二等奖、2016年中国机械工业科学技术奖二等奖各1项。已培养博士后、硕士研究生各1名，正在培养硕士生1名。项目成果已应用于中联重科股份有限公司长臂架系列泵车产品，取得了一定的经济效益。本课题研究成果不仅对研制更长臂架泵车和提升现有超长臂架泵车动力品质具有重要的理论和应用价值，而且对所有具有超长柔性机械臂的高端装备的振动控制具有重要的参考价值。