一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种刚‑柔耦合机电伺服系统的振动控制方法，包括：分别采集驱动电机和负载电机上的编码器数据，实时获取柔性轴杆两端的扭转角度，计算得到所述柔性轴杆上任意位置处的微元的扭转角度，根据所述柔性轴杆的长度、极惯性矩、弹性模量和转动惯量，计算得到频域特征方程；利用所述频域特征方程，计算得到所述柔性轴杆和刚性驱动飞轮之间的耦合力矩；建立所述刚性驱动飞轮平衡方程；将所述耦合力矩带入所述平衡方程，得到系统的分数阶传递函数模型；根据所述分数阶传递函数模型，建立分数阶控制器，利用所述控制器，对所述系统进行振动控制。本专利所涉及的方法通过分数阶模型准确描述粘弹性材料的动力学行为，有效抑制系统的残余振动。

A Vibration Control Method for Rigid-Flexible Coupled Electromechanical Servo System

【技术实现步骤摘要】
一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法
本专利技术涉及动力与传动
，尤其是涉及一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法。
技术介绍
刚-柔耦合机电伺服系统广泛应用于航空航天、机械制造、机器人等工业领域。该系统由驱动电机及编码器、传送带、刚性驱动飞轮、柔性轴杆、刚性负载飞轮、负载电机及编码器等部分构成。为了提高系统响应速度和降低功耗，柔性轴杆采用轻质柔性的粘弹性材料制造，继而形成了刚性飞轮和柔性轴杆互相耦合的机电伺服系统。柔性结构的存在会使得该系统在伺服控制结束后产生持续的残余振动，削弱了伺服控制精度，严重情况下甚至会危害到生产安全。为了抑制残余振动，首先需要掌握柔性结构的动力学特性，构造动力学模型。然而，传统的整数阶Maxwell’s模型、Voigt’s模型、Kelvin模型、Zener模型和多项式组合的数学模型无法准确描述粘弹性材料、碳纳米复合材料等轻质柔性材料的动力学行为。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法，以解决现有技术中存在的振动控制方法无法准确描述粘弹性材料、碳纳米复合材料等轻质柔性材料的动力学行为和伺服控制结束后产生持续的残余振动。本专利所涉及的振动控制方法能够准确描述粘弹性材料的动力学行为，所涉及的振动控制方法结构简单且能有效抑制系统的残余振动。本专利技术提供的一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法，包括：一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法，其特征在于，包括：分别采集驱动电机和负载电机上的编码器数据，实时获取柔性轴杆两端的扭转角度，计算得到所述柔性轴杆上任意位置处的微元的扭转角度，根据所述柔性轴杆的长度、极惯性矩、弹性模量和转动惯量，计算得到频域特征方程；利用所述频域特征方程，计算得到所述柔性轴杆和刚性驱动飞轮之间的耦合力矩；建立所述刚性驱动飞轮平衡方程；将所述耦合力矩带入所述平衡方程，得到系统的分数阶传递函数模型；根据所述分数阶传递函数模型，建立分数阶控制器，利用所述控制器，对所述系统进行振动控制。本专利技术提供一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法，与现有技术相比，分数阶微积分在保留整数阶微积分特性的前提下，还具备历史记忆效应，能够精确刻画具有粘弹性特性的轻质柔性材料的复杂动力学行为；分数阶微积分还能够为设计者提供额外的设计自由度以改造、提升现有控制器的控制性能，获得更好的振动控制效果。因此，本专利技术专利构建了一种能够描述刚-柔耦合机电伺服系统的分数阶动力学模型，并在此基础上开发出一套分数阶PD控制器以抑制系统的残余振动。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的机电伺服系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的单位负反馈控制系统；图3为本专利技术实施例提供的响应曲线。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。如图1所示，本专利技术实施例针对图1所示的一种刚-柔耦合机电伺服系统，公开了一种振动控制方法，其实现步骤具体阐述如下：1、定义系统物理量符号和柔性轴杆的实际弹性模量表达式，构建柔性轴杆的分数阶本构关系，具体的包括：1.1定义系统的物理量符号将刚性驱动飞轮的转动惯量和转动角度分别记为I1和θ1，将柔性轴杆的转动惯量、长度、实际弹性模量、名义弹性模量、截面半径、剪应力、剪应变和扭转角度分别记为I2、l、E(t)、E、R、τ(t)、γ(t)和θ(t,x)，将刚性负载飞轮的转动惯量和转动角度分别记为I3和θ2，驱动电机输出的控制力矩记为T1，柔性轴杆和刚性驱动飞轮之间的耦合力矩记为T2，柔性轴杆与刚性负载飞轮之间的耦合力矩记为T3，θ1和θ2可分别由驱动电机和负载电机上的编码器测得。1.2定义柔性轴杆的实际弹性模量表达式将柔性轴杆的实际弹性模量表征为其中Γ是Gamma函数，t是时间，α是介于(0,1)之间的常数。1.3构建柔性轴杆的分数阶本构关系将柔性轴杆的剪应力表征为再将步骤1.1中获得的实际弹性模量E(t)带入到τ(t)中，并结合分数阶微积分的Caputo定义，可以得到描述柔性轴杆的分数阶本构关系其中表示对括号内的元素“·”求第α阶导数。2、获取柔性轴杆的微元，并进行分析处理，计算得到所述系统的频域特征方程，具体包括：2.1获取柔性轴杆的微元进行分析并求得微元的平衡方程在柔性轴杆的任意位置取一个微元进行分析，将该微元的转动惯量、长度和扭转力矩分别记为i2、dx和dT，将微元的圆形截面上任意一点到圆心的距离记为r，则有关系式成立，其中，ρ表示密度，J表示极惯性矩。在此基础上，对该微元运用牛顿第二定律，可得平衡方程2.2根据微元上的几何关系，求解柔性轴杆上扭转力矩的表达式根据微元截面上的几何关系可知，截面上任意一点的应变可表征为将该式带入步骤1.3中所获得的分数阶本构关系，可得到微元截面上该点所受的应力的分数阶表达式为进一步，在微元截面上将该应力沿截面半径进行积分，可得总的扭转力矩的分数阶表达式为2.3将所述柔性轴杆上扭转力矩的表达式带入所述平衡方程中，得到分数阶特征方程将步骤2.2中获得的扭转力矩表达式带入步骤2.1中获得的平衡方程中，可得到该刚-柔耦合机电伺服系统的分数阶特征方程：2.4对所述分数阶特征方程进行拉普拉斯变换，获得频域表达式对步骤2.3中获得的特征方程进行拉普拉斯变换，可得频域上的特征方程将θ(s,x)简化记为θ(x)后，该式可进一步简化为3、根据所述系统的频域特征方程，计算得到柔性轴杆和刚性驱动飞轮之间的耦合力矩，具体包括：3.1定义柔性轴杆两端的边界条件将柔性轴杆在刚性驱动飞轮端的边界条件定义为θ(x)|x＝0＝θ1，将柔性轴杆在刚性负载飞轮端的边界条件定义为3.2根据边界条件，求解步骤2.4中的分数阶特征方程并获得其唯一解，即柔性轴杆的扭转角度根据步骤3.1中的边界条件求解步骤2.4中的频域特征方程，可得解其中3.3根据步骤3.2中获得的解，求得刚性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚‑柔耦合机电伺服系统的振动控制方法，其特征在于，包括：(1)分别采集驱动电机和负载电机上的编码器数据，实时获取柔性轴杆两端的扭转角度，计算得到所述柔性轴杆上任意位置处的微元的扭转角度，根据所述柔性轴杆的长度、极惯性矩、弹性模量和转动惯量，计算得到频域特征方程；(2)利用所述频域特征方程，计算得到所述柔性轴杆和刚性驱动飞轮之间的耦合力矩；(3)建立所述刚性驱动飞轮平衡方程；(4)将所述耦合力矩带入所述平衡方程，得到系统的分数阶传递函数模型；(5)根据所述分数阶传递函数模型，建立分数阶控制器，利用所述控制器，对所述系统进行振动控制。

【技术特征摘要】
1.一种刚-柔耦合机电伺服系统的振动控制方法，其特征在于，包括：(1)分别采集驱动电机和负载电机上的编码器数据，实时获取柔性轴杆两端的扭转角度，计算得到所述柔性轴杆上任意位置处的微元的扭转角度，根据所述柔性轴杆的长度、极惯性矩、弹性模量和转动惯量，计算得到频域特征方程；(2)利用所述频域特征方程，计算得到所述柔性轴杆和刚性驱动飞轮之间的耦合力矩；(3)建立所述刚性驱动飞轮平衡方程；(4)将所述耦合力矩带入所述平衡方程，得到系统的分数阶传递函数模型；(5)根据所述分数阶传递函数模型，建立分数阶控制器，利用所述控制器，对所述系统进行振动控制。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述(1)具体包括：获取柔性轴杆的微元进行分析并求得所述微元的平衡方程；根据所述微元上的几何关系，求解所述柔性轴杆上扭转力矩的表达式；将所述柔性轴杆上扭转力矩的表达式带入所述平衡方程中，得到分数阶特征方程；对所述分数阶特征方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐世东，文浩，金栋平，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32