柔性机械结构的振动控制方法和系统技术方案

本申请提供柔性机械结构的振动控制方法和系统。柔性机械结构高速运动会产生持续振动，严重影响工作效率和系统安全性。驱动命令经过本申请提供的新型振动控制器处理后，再驱动柔性机械运动，就可以将振动控制到最小程度。所提出的振动控制器具有较强的鲁棒性和较好的冲击抑制能力，可以应用到很多复杂动态过程的柔性机械领域，例如双吊车协同系统吊运较大体积负载。给出使用所提出的振动控制器在双吊车协同工作中实现振动抑制的系统和方法的实现方案。

Vibration control method and system for flexible mechanical structure

The present invention provides a vibration control method and system for a flexible mechanical structure. The high speed movement of flexible mechanical structure will cause continuous vibration, which will seriously affect the efficiency and safety of the system. After the driving command is processed by the new vibration controller provided in this application, and then the flexible machinery is driven, the vibration can be controlled to a minimum. The proposed vibration controller has strong robustness and good shock rejection ability, and can be applied to many flexible mechanical fields with complex dynamic processes, such as crane-crane cooperative system to hoist large volume loads. The system and method of vibration suppression in the cooperative work of two cranes by using the proposed vibration controller are presented.

【技术实现步骤摘要】
柔性机械结构的振动控制方法和系统
本专利技术涉及对柔性机械结构的振动控制方法和系统。使用振动控制器对原始驱动指令进行卷积处理后再驱动柔性机械，来达到振动控制的目的。
技术介绍
生产生活实践中很多机械系统带有柔性机构，如起重机和航天器等等。这种带有柔性机构的机械系统运动时，加减速过程会诱使柔性机构产生持续振动。机械系统在低速运动状态下柔性机构的振幅很小一般可以被忽略，但在高速运动时振动过程对机械系统本身的控制性能、工作效率和安全性都有很大影响。这迫使机械系统只能在较低速度下工作。因此，对柔性机械结构的振动过程进行控制是非常有必要的。国内外现有的主要振动控制方法：光滑曲线、inputshaping和闭环反馈控制。光滑曲线主要包括：S曲线和凸轮多项式。S曲线在数控系统中有广泛应用。它具有低通滤波特性，利用低通滤波特性消除振动。S曲线优点是不需要系统动态性能先验知识，对动态过程未知的高阶复杂系统有较好应用前景。但是当系统固有频率在实际操作中经常发生变化的情况，比如具有柔性结构，此时S曲线对频率误差变得较为敏感，具有较差的鲁棒性。利用凸轮多项式构造凸轮函数来驱动机器运动，可以有效的消除高频段的振动，也具有低通滤波的特性，但是具有较长的调节时间和较差的鲁棒性。美国专利4916635和5638267授权的Inputshaping技术，不是利用光滑函数原理实现机器驱动，它是将输入命令与一系列脉冲的离散卷积来构造整形后的命令驱动机器运动。离散卷积构造的整形器被称作inputshaper，目前比较常用的inputshaper有：ZVshaper、ZVDshaper、EIshaper和SIshaper。成功地应用在桥吊、塔吊、轮式起重机、船吊、三坐标测量机、航天器、机械手和线性步进马达的振动控制。inputshaping构造的整形后命令一般不连续，在边界附近可能出现较大的冲击。中国专利201210507110.8给出两种光滑器设计，都是连续函数。与输入命令卷积处理后再驱动机器运动，可以实现减振任务。比较常用的实现振动控制的反馈控制方法包括线性控制、自适应控制、模糊逻辑控制、非线性控制等。基本设计思路是对闭环系统增加阻尼来实现振动控制目的。反馈控制成功应用于工业起重机、柔性机器人等多种领域。人的操作实质上也是一种反馈过程，反馈控制器会与操作者之间的操作过程发生冲突。如果选择低权限反馈控制器将不会干扰人操作，但是振动控制效果较差。另外某些物理过程很难对负载振动进行检测，限制了反馈控制实际使用。
技术实现思路
为克服现有技术中的上述缺陷，本专利技术提出一种新的振动控制方法和系统来抑制柔性机械结构的振动。本专利技术的一个方面是提供了柔性机械结构的振动控制方法。将输入信号直接作用在柔性结构上会引起持续振动。本专利技术提供一种新的振动控制设计公式。将原始驱动指令经过振动控制器处理后，再驱动柔性机械运动，可以将振动抑制到最小程度。本专利技术的另一方面，提出了一种适用于柔性机械的振动控制系统，包括：输入模块、计算模块和输出模块。其中，输入模块包括模拟信号或者数字信号采集装置，功能是对输入信号进行采集；计算模块，连接到采集模块，用于将采集到的输入信号根据所提供的方法进行数据处理；输出模块，连接到计算模块，用于将处理后的驱动指令信号驱动柔性机械运动，包括模拟信号或者数字信号输出装置、功率放大装置。本专利技术可以有效地对柔性机械结构实现振动抑制。应用本专利技术的技术方案，可以在保证振动控制目的的基础上，实现柔性机械冲击较小、工作效率最优、人机操纵性好、操作安全等优势。附图说明图1示振动控制器工作过程图；图2示四个脉冲的振动控制器的频率敏感曲线图；图3示根据本专利技术的振动抑制系统的结构框图；图4示应用例：小型双起重机吊运梁实验框图；图5示应用例：振动控制效果实验图。如图所示，为了能明确实现本专利技术的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本专利技术限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术提供的柔性机械的振动控制方法和系统进行详细描述。在以下的描述中，将描述本专利技术的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本专利技术的一些或者全部结构或者流程来实施本专利技术。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本专利技术。在其他情况下，为了不混淆本专利技术，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。脉冲序列(Ak，τk)的二阶系统响应：其中：Ak和τk是脉冲序列第k脉冲的幅值和作用时刻，ω为二阶系统的固有频率，ζ为二阶系统的阻尼比。对应的振幅是：约束(3)和(4)为零求得脉冲序列(Ak，τk)可实现零残余振动。可是，实际柔性结构机械系统中必然存在一些不确定性和高阶非线性因素，可以放宽振幅约束让残余振幅被限制在一个可被接受的范围内。其中：Vtol是最大振幅，τn是脉冲序列(Ak，τk)的上升时间。在设计频率附近两个修正频率点p·ω和q·ω应该满足零残余振动约束：脉冲序列(Ak，τk)应当还具有单位增益约束：满足六个约束方程(5-10)，上升时间最短的脉冲序列(Ak，τk)是：两个频率修正因子p和q位于一的两侧，满足：0＜q≤1≤p＜2。设计结果(11)的上升时间满足：设计频率点处的残余振幅对频率求导被约束为零(即零斜率约束)，则可以增大所设计的脉冲序列(Ak，τk)鲁棒性。据此可以建立零斜率约束：将设计结果(11)代入最大振幅约束(5)和零斜率约束(15)可得两个修正频率点p和q的数值解。阻尼比ζpq阻尼比ζpq00.85841.14290.10.83661.17520.010.85651.14570.20.80931.22360.050.84811.15760.30.77501.3047从上表可以看出，随着阻尼增大，p和q的数值解逐渐远离1，因而对应的频率不敏感范围也逐渐增大。零阻尼情况下的设计结果(11)对应的频率敏感曲线见图2所示。设计结果(11)明显在设计频率(对应着归一化频率1)处具有陷波滤波效果。在两个修正频率点p和q具有零振幅，在归一化频率1(设计频率)处具有最大允许振幅Vtol和零斜率。低于5％振幅的频率范围是[0.798,1.205]，即在正负百分之二十误差范围内仍能将振动抑制在5％范围内。图3中具体给出了一种本申请的实践应用方案。操作者通过手柄或按钮发出指令，这种指令可以通过采集装置被采集到，采集装置通常用模拟或数字输入装置获得。采集装置将输入指令送入振动控制器进行数学处理，振动控制器可以使用计算机编程来实现，也可以通过模拟电气或者机械设计过程来实现。然后将光滑后的指令功率放大后输出驱动柔性机械结构运动。通过传感器感知柔性结构的参数，用于固有频率ω估计。下面给出一个设计实例来证明所提出的方法可以有效控制柔性机构振动。图4是小型双起重机10吊运梁实验图。小车20和小车30受电机力驱动运动时，吊挂在小车20上的绳索40会发生振荡，吊挂在小车30上的绳索50也会有振荡产生，进而引起梁60也有振荡运动。当小车20和小车本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.柔性机械结构的振动控制方法，包括：步骤10、对柔性机械结构的固有频率ω和阻尼比ζ进行估计，用来设计振动控制器；步骤20、将原始驱动指令与振动控制器进行卷积运算；步骤30、处理后的驱动指令再驱动柔性机械结构运动，来实现振动控制的目的。

【技术特征摘要】
1.柔性机械结构的振动控制方法，包括：步骤10、对柔性机械结构的固有频率ω和阻尼比ζ进行估计，用来设计振动控制器；步骤20、将原始驱动指令与振动控制器进行卷积运算；步骤30、处理后的驱动指令再驱动柔性机械结构运动，来实现振动控制的目的。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤10还包括，所述振动控制器是由四个脉冲组成的脉冲序列函数：其中，Ak和τk是脉冲序列第k脉冲的幅值和作用时刻；增益系数K满足：时间常数Tm满足：π是圆周率常数；ω是被控柔性结构的固有频率；ζ是被控柔性结构的阻尼比；频率修正因子p和q满足：0＜q≤1≤p＜2。3.权利要求2频率修正因子选择p和q...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄杰，赵昕生，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11