【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及对工程机械进行计算机辅助振动抑制，具体地涉及一种基于独立模态空间法的柔性臂无指令输入整形抑振方法。
技术介绍
1、以混凝土布料机为代表的长柔性液压机械臂是建筑工程领域重要的施工机械。近年来，混凝土布料机臂架结构开始朝着轻量化的方向发展，相同规格下重量更轻的臂架结构可以实现更大的作业范围，但是重量减轻也会使布料机臂架的刚度下降，整机更容易受到弹性振动的影响。尤其当混凝土布料机在固定位置下作业时，布料机双活塞混凝土泵泵送的混凝土流动无法保证均匀恒定，会对整机产生周期性的激振力干扰。同时由于泵送周期往往与布料机液压机械臂的共振频率接近，极易引起臂架共振，进而发生剧烈振动。长时间施工过程中，振动会导致布料机臂架布料质量降低，甚至会产生疲劳损断裂，严重影响设备寿命和人身安全。
2、目前针对长柔性液压机械臂的抑振方法有闭环控制和开环控制两种：
3、闭环控制抑振方法基于信号反馈，鲁棒性高，常用的方法有动压反馈、分散阻尼控制、奇异摄动法、神经网络抑振控制器等。但是闭环控制需要在算法期间持续进行调整，如果参数调节不当，误差会持续累计造成更大的振动，同时由于长臂架会造成动态响应的滞后，因此反馈控制的参数难以调整，难以应用。
4、开环控制简便有效可靠，但是输入整形技术以及输入滤波技术等常用开环方法是对输入信号做滤波实现残余振动的消除，无法抑制由外部干扰引起的振动。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述不足或缺陷，本专利技术提供一种基于独立模态空间法的柔
2、一种柔性机械臂抑振控制方法，包括以下步骤：a、建立柔性臂的动力学模型，并通过独立模态空间法转换到模态空间进行解耦，得到其固有频率对应的控制方程；b、针对柔性臂设计模态滤波器并在柔性臂上设置传感器，将传感器上的物理数据经由模态滤波器转换为模态数据；c、针对固有频率对应的控制方程设计无指令输入整形器，将模态数据输入无指令输入整形器中，计算得到抑振用的模态控制力。
3、优选的，在步骤a中基于假设模态法及拉格朗日法建立柔性臂的动力学模型，采用独立模态空间法将动力学模型转换到模态空间，将无限自由度柔性系统转换为无限个控制方程。
4、优选的，上述的控制方程为：
5、
6、
7、其中z为广义坐标坐标，m、c、k分别代表质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵，d代表重力项，f为液压缸输出力，λ是液压缸和广义坐标的运动学关系，为用于解耦的模态函数，h为模态坐标。
8、优选的，所述控制方程的数量和柔性臂的固有频率的数量一致。
9、优选的，需要抑制的固有频率为一阶固有频率，并提取针对一阶固有频率的控制方程。
10、优选的，在步骤b中，所述传感器采集物理空间的坐标，采用模态滤波器分别将物理坐标转换到广义坐标，再利用模态滤波器将广义坐标转换到模态坐标。
11、优选的，模态滤波器的转换公式如下：
12、
13、
14、其中w(xj，t)和分别为xj处的物理坐标和速度d1和d2为转换矩阵，q3n和为表达变形量的广义坐标和速度，hi和为模态坐标和速度。
15、优选的，在步骤c中，基于任意特定固有频率对应的控制方程，设计针对该固有频率控制方程的无指令输入整形器，将模态数据输入无指令输入整形器，输出抑振所需模态控制力。
16、优选的，无指令输入整形器，采用以下公式得到抑振的模态控制力：
17、
18、其中ui(t)为模态控制力，i0为控制冲量，δ(t)为狄拉克函数，y0和是初始模态坐标和速度，ωdi是模态有阻尼固有频率，ωi是模态无阻尼固有频率，ξi是模态阻尼比，mi是模态质量。
19、优选的，在步骤c后还包括步骤d，将得出的模态控制力经由施力部件施加给抑振目标。在步骤d中，模态控制力采用基于模型的非线性力控制器施加到抑振目标上。
20、优选的，所述施力部件为液压缸作动器。
21、优选的，非线性力控制器通过液压缸两腔压力反馈和角度编码器位置反馈实现。
22、采用的控制率：
23、
24、
25、其中βe有效弹性模量，v1是液压缸第一腔体积v2是液压缸第二腔体积，v01和v02是两腔的初始体积，y是液压缸位移，是液压缸速度，ct是内泄露系数，xv阀芯位移，ps是供油压力，pr是回油压力，c1、c2、c3以及c4是阀口系数。
26、针对长柔性液压机械受到的外部激励干扰，闭环抑振控制需要在抑振期间不断控制。若参数调节不当，误差会持续累计，甚至会造成振动的加剧，所以难以应用到实际的设备上。开环抑振控制简便可靠，但是没法抑制臂架的外部激励。
27、除此之外，无指令输入整形技术结合了闭环控制能抑制外部干扰和开环控制简便有效的两个优点被提出用来抑制混凝土布料机的振动。其原理是针对一个二阶系统存在振动响应时，通过对系统施加一个反向且幅值合适的脉冲激励，实现振动响应的抵消。但是传统无指令输入整形技术为了构建一个二阶系统，将液压系统和柔性臂系统共同简化为一个二阶系统，忽略了臂架的柔性和液压系统的非线性，简化的模型导致无法计算出准确的控制输入，需要通过辨识及试凑法得到控制输入，使其难以应用到实际应用中。因此，为解决传统无指令输入整形方法的问题，实现简便有效可靠的振动抑制，需要对无指令输入整形方法进一步研究。
28、因此为了克服上述问题，本专利技术基于假设模态法和拉格朗日法建立了柔性臂动力学模型，采用独立模态空间法将模型解耦，建立了合理的模型，基于该模型应用无指令输入整形技术，准确的计算出控制输入。本专利技术解决传统无指令输入整形模型简化，无法计算出控制输入的问题。同时保留了传统方法结合闭环控制的鲁棒性以及开环控制简便有效性的优点，实现了长柔性液压机械臂振动的快速、有效、可靠的抑振控制。
29、本专利技术具有以下有益效果：
30、本专利技术方法和常见的闭环抑振控制方法以及开环抑振方法相比，只需要一个短控制力就可以实现振动的抑制，控制时间短，不会产生累计的误差，无需复杂参数调节过程。更为简便有效可靠的实现了长柔性液压机械臂振动的抑制。
31、本专利技术通过采用独立模态空间法，解决了传统无指令输入整形控制输入计算不准的问题，本专利技术可以准确计算出控制力的大小并准确施加，提高了方法的适用性。
32、
33、
34、本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
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1.一种柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：在步骤a中，基于假设模态法及拉格朗日法建立柔性臂的动力学模型，采用独立模态空间法将动力学模型转换到模态空间，将无限自由度柔性系统转换为无限个控制方程。
3.根据权利要求2所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：通过独立模态空间法解耦得到多个控制方程为：
4.根据权利要求3所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：所述解耦得到的控制方程的数量和柔性臂需要抑振的固有频率的数量一致。
5.根据权利要求4所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：所述固有频率为一阶固有频率，提取一阶固有频率对应的控制方程。
6.根据权利要求1所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：在步骤b中，所述传感器采集物理空间的坐标，采用模态滤波器将物理坐标转换到广义坐标，再将广义坐标转换到模态坐标。
7.根据权利要求6所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：模态滤波器的转换公式如下：
8.根据权利要求1所述的
9.根据权利要求8所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：无指令输入整形器采用以下公式得到抑振的模态控制力：
10.根据权利要求1所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：在步骤c后还包括步骤d，将得出的模态控制力经由施力部件施加给抑振目标；
...【技术特征摘要】
1.一种柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：在步骤a中，基于假设模态法及拉格朗日法建立柔性臂的动力学模型，采用独立模态空间法将动力学模型转换到模态空间，将无限自由度柔性系统转换为无限个控制方程。
3.根据权利要求2所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：通过独立模态空间法解耦得到多个控制方程为：
4.根据权利要求3所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：所述解耦得到的控制方程的数量和柔性臂需要抑振的固有频率的数量一致。
5.根据权利要求4所述的柔性机械臂抑振控制方法，其特征在于：所述固有频率为一阶固有频率，提取一阶固有频率对应的控制方程。
6.根据权利要求1所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：张军辉，贾睿亨，潘志文，王健辉，陈志伟，杨书伟，丁孺琦，程敏，纵怀志，徐兵，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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