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气动肌肉仿生关节的优化设计与摆动控制

气动肌肉仿生关节的优化设计与摆动控制

作者：程苗中国计量学院

学位级别：硕士

随着仿生机器人在生产生活领域不断扩展，人们对安全性好、重量轻巧的柔性驱动器的需求不断增长。气动肌肉以压缩空气为工作介质，具有功率重量比高、结构简单等优点，是本质柔顺驱动器，具有广阔的发展潜力。本文主要目的是通过气动肌... 详细信息

随着仿生机器人在生产生活领域不断扩展，人们对安全性好、重量轻巧的柔性驱动器的需求不断增长。气动肌肉以压缩空气为工作介质，具有功率重量比高、结构简单等优点，是本质柔顺驱动器，具有广阔的发展潜力。本文主要目的是通过气动肌肉仿生关节特性与控制的研究，为气动肌肉广泛应用打下基础。通过理论推导获得气动肌肉数学模型。以Mckibben型气动肌肉为研究对象，通过实验得到气动肌肉输出力模型和驱动负载时的弹性、阻尼等动力学参数。拮抗安装气动肌肉驱动的关节摆动受制于两根气动肌肉的伸缩量，可考虑改变机构参数的方法来提高仿生关节摆角区间。建立了拮抗安装气动肌肉驱动的仿生关节数学模型。分析影响摆角区间、柔度、能耗等性能的因素，给出了左右摆动半径、摆动中心高度等参数对仿生关节摆动性能影响的曲线。参照人体手臂摆动，优化设计气动肌肉驱动的仿生肩关节和肘关节机构参数。针对右侧气动肌肉最大收缩状态，逆向反求左侧气动肌肉参数，从而保证左右侧气动肌肉同时达到最大伸缩量。与传统方案对比表明：优化的肩关节摆角范围提高7%，肘关节提高42%;气动肌肉伸缩总量最大可减小7%;仿生关节特性更接近人类上肢体关节。以肩关节摆动为例，采用传统PID算法对关节进行闭环控制研究，并通过实验验证传统PID控制算法的有效性和可行性;但同时存在着超调量大、振荡幅度大、调节时间长等问题，不能满足高精度的要求。针对这一问题，设计了一种自适应、可自动调节参数的神经元PID算法。以Voyager机器人为移动机器人本体，在机器人上搭建仿生关节样机，利用VC++编写上位机控制界面，通过数据采集卡采集仿生关节摆角和控制气动肌肉压力，对仿生关节进行了阶跃响应和正弦曲线跟踪的摆动控制实验。通过实验对比表明，神经元PID控制算法位置精度高，有效地减小响应曲线的振荡现象，缩减调节时间，提高了仿生关节的控制性能;阶跃响应稳态误差小于0.001rad（0.06°），正弦信号轨迹跟踪最大误差小于0.025rad（1.5°），并具有一定的抗干扰能力。

关键词：仿生关节气动肌肉优化设计神经元PID控制摆动控制建模

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15t康萨克电渣炉电压摆动控制系统的改进

特殊钢 2005年第5期26卷 42-43页

作者：李宛州王京春林艳生清华大学自动化系北京100084 冶金自动化研究设计院北京100071

康萨克电渣炉通过控制炉电压摆动范围等效地保持电极距渣平面的距离不变,从而保持了渣阻恒定及熔池形状不变,以便获得高质量的电渣锭。根据对康萨克电渣重熔炉电压摆动控制原理的分析,开发了一套新的控制系统。该系统已应用于邢台机械... 详细信息

康萨克电渣炉通过控制炉电压摆动范围等效地保持电极距渣平面的距离不变,从而保持了渣阻恒定及熔池形状不变,以便获得高质量的电渣锭。根据对康萨克电渣重熔炉电压摆动控制原理的分析,开发了一套新的控制系统。该系统已应用于邢台机械轧辊集团铸钢分厂康萨克15t电渣重熔炉,6个月运行结果表明,电渣炉电压摆幅控制在±2.5V,电渣锭表面质量良好,部分指标甚至优于原康萨克的电控系统。

关键词：电渣重熔电压摆动控制渣阻控制系统电压摆幅电渣炉摆动电渣重熔炉表面质量

10t电渣炉冶炼工艺与二次电流摆动控制的应用

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特殊钢 2006年第6期27卷 54-56页

作者：霍振全常立忠梁素霞邢台机械轧辊集团股份有限公司邢台054025 钢铁研究总院北京100081 邢台技师学院邢台054001

根据电渣冶金过程摆动控制原理和摆动控制的冶金模型,采用计算机智能PID算法跟踪控制熔炼曲线,对邢台机械公司10t电渣炉二次电流进行摆动控制后,电极熔化速率和重熔周期趋于稳定一致,电渣锭质量得到明显改进,使一级品率由原来的75%提高... 详细信息

根据电渣冶金过程摆动控制原理和摆动控制的冶金模型,采用计算机智能PID算法跟踪控制熔炼曲线,对邢台机械公司10t电渣炉二次电流进行摆动控制后,电极熔化速率和重熔周期趋于稳定一致,电渣锭质量得到明显改进,使一级品率由原来的75%提高到90%。

关键词：电渣重熔二次电流摆动控制应用

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电渣炉的两种摆动控制原理分析与应用

冶金自动化 2006年第2期30卷 53-55页

作者：张莉王京春王锦标清华大学自动化系清华大学自动化系北京100084

电渣炉的摆动控制是影响电渣重熔过程中结晶质量的关键因素。它通过调节电极插入渣池的深度来维持渣阻恒定,以利于熔速的稳定控制。本文叙述了进口和国产电渣炉的两种摆动控制原理,并指出了两种摆动控制的优缺点。通过分析现场的实际运... 详细信息

电渣炉的摆动控制是影响电渣重熔过程中结晶质量的关键因素。它通过调节电极插入渣池的深度来维持渣阻恒定,以利于熔速的稳定控制。本文叙述了进口和国产电渣炉的两种摆动控制原理,并指出了两种摆动控制的优缺点。通过分析现场的实际运行数据,比较了它们的控制性能。

关键词：电渣炉摆动控制渣阻

抓斗卸船机小车—抓斗系统动力学建模及摆动控制研究

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抓斗卸船机小车—抓斗系统动力学建模及摆动控制研究

作者：张新元武汉理工大学

学位级别：硕士

抓斗卸船机抓斗的摆动控制效果是影响其作业效率的一项重要指标,对于抓斗卸船机的摆动控制,通常采用输入整形方法,该方法需要建立小车―抓斗系统的精确动力学模型。然而,传统的建模方法通常将抓斗视为质点,并且未考虑抓斗开闭斗时重心... 详细信息

抓斗卸船机抓斗的摆动控制效果是影响其作业效率的一项重要指标,对于抓斗卸船机的摆动控制,通常采用输入整形方法,该方法需要建立小车―抓斗系统的精确动力学模型。然而,传统的建模方法通常将抓斗视为质点,并且未考虑抓斗开闭斗时重心的变化。本文通过建立小车―抓斗系统双摆动力学模型,对其开闭斗动力学特性和摆动控制进行了研究,主要工作及创新点如下:(1)考虑抓斗的形状以及钢丝绳绳长的变化,利用拉格朗日方法建立了抓斗卸船机小车—抓斗系统双摆动力学模型,并利用四阶龙格库塔法对双摆模型进行了数值求解,得到了二阶摆角和角加速度的迭代关系式。(2)利用ADAMS软件建立了小车—抓斗系统三维动力学模型,分析了小车—抓斗运动平面的二阶摆动频率,验证了本文所建理论模型的正确性;对抓斗在开闭斗情况下的重心变化进行了分析,表明抓斗在不同状态(开、闭斗)会对重心产生影响。(3)提出了一种改进的ZV摆动控制方法,并考虑效率和安全,对抓斗的运动轨迹进行了规划,实例仿真表明,改进ZV方法具有很好的摆动控制效果;对相同控制参数下的单摆模型和双摆模型的控制效果进行了比较,表明基于双摆模型第一阶摆动频率得到的等效单摆模型能获得与双摆模型一致的控制效果。(4)利用VB 6.0开发了小车—抓斗系统摆动控制仿真软件,通过该软件可以计算控制参数,得到小车与起升的规划速度曲线、抓斗重心运行轨迹和双摆的二阶摆角变化曲线图,并可对所提出的改进ZV方法的控制效果进行实时仿真分析。

关键词：小车—抓斗系统双摆模型改进ZV方法敏感性分析摆动控制

基于输入整形技术的门座起重机吊重摆动控制研究

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基于输入整形技术的门座起重机吊重摆动控制研究

作者：王云飞武汉理工大学

学位级别：硕士

门座起重机是港口码头上广泛应用的搬运设备,随着港口物流装备向自动化方向发展,其防摇控制开始受到重视。由于门座起重机属于回转类起重机,其作业过程中的回转运动会使负载产生向外的离心力,导致其防摇控制较桥式起重机更为困难。本文... 详细信息

门座起重机是港口码头上广泛应用的搬运设备,随着港口物流装备向自动化方向发展,其防摇控制开始受到重视。由于门座起重机属于回转类起重机,其作业过程中的回转运动会使负载产生向外的离心力,导致其防摇控制较桥式起重机更为困难。本文通过建立门座起重机摆动动力学模型,基于输入整形技术设计了其典型运动工况的输入整形控制器,并进行了摆动控制的数值仿真和虚拟样机仿真分析,所做的主要研究工作如下:(1)通过对门座起重机工作机构的分析,建立了其吊重摆动系统的简化物理模型,运用拉格朗日分析力学方法推导了系统的运动微分方程,分析了回转速度对系统固有频率的影响。(2)基于典型输入整形器的基本原理,设计了门座起重机在单变幅和单回转运动工况下的典型输入整形器,提出了考虑回转速度影响的复合运动工况下的最优组合输入整形方案。(3)基于MATLAB/Simulink模块建立了门座起重机吊重摆动系统数值仿真模型,对不同工况下的不同组合输入整形器进行了摆动控制仿真比较,得到了不同工况下的输入整形器的优化选择方案。通过对吊重残余摆角的参数敏感性分析,表明残余摆角对回转角度的变化最为敏感,钢丝绳绳长变化次之,对变幅角度的变化较不敏感。(4)以四连杆门座起重机为对象,利用ADAMS软件建立了其虚拟样机仿真模型。对起重机变幅系统进行了运动学分析,虚拟样机仿真时以臂架的俯仰角速度代替了吊重悬挂点速度作为系统的输入,进行了不同工况不同整形方法组合下的虚拟样机仿真,对比Simulink仿真得到的结果,验证了所建模型和计算模型的一致性与摆动控制算法的有效性。此外,虚拟样机仿真结果表明抓斗的形状和大小对吊重残余摆角具有一定的影响。

关键词：门座起重机动力学输入整形摆动控制虚拟样机

考虑钢丝绳弹性因素的抓斗卸船机摆动控制研究

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考虑钢丝绳弹性因素的抓斗卸船机摆动控制研究

作者：孟超武汉理工大学

学位级别：硕士

抓斗卸船机是沿海沿江港口码头广泛应用的散货装卸设备,抓斗的摆动控制是否有效直接影响着卸船机的实际工作效率。现有研究一般通过建立抓斗卸船机小车—抓斗系统的动力学模型并应用输入整形方法对抓斗的摆动进行控制,其动力学模型中起... 详细信息

抓斗卸船机是沿海沿江港口码头广泛应用的散货装卸设备,抓斗的摆动控制是否有效直接影响着卸船机的实际工作效率。现有研究一般通过建立抓斗卸船机小车—抓斗系统的动力学模型并应用输入整形方法对抓斗的摆动进行控制,其动力学模型中起升钢丝绳通常被作为刚性绳来处理,忽略了弹性因素的影响。由于动力学模型的精确性会直接影响摆动控制的有效性,因此,有必要建立更精确的动力学模型来研究抓斗卸船机的摆动控制。本文建立了考虑钢丝绳弹性的小车—抓斗系统动力学模型,对抓斗的摆动控制进行了研究,并基于虚拟样机技术进行了仿真验证,所做主要工作如下:(1)考虑钢丝绳的弹性因素并基于拉格朗日方程建立了小车—抓斗系统动力学模型,与现有不考虑钢丝绳弹性因素的单摆模型进行了比较分析,并通过简化模型得到了系统的自然频率和阻尼比。(2)考虑卸船机的工作效率和摆动绳长是否变化对抓斗的运行路径进行了规划,利用MATLAB/Simulink建立了弹性钢丝绳模型的小车—抓斗系统摆动控制仿真模型,基于该模型对经典摆动控制方法进行了仿真分析,结果表明,在控制精度要求较高的情况下,弹性因素对摆角控制有一定影响。(3)提出了一种改进的NZV摆动控制方法,仿真结果表明,相对于基本摆动控制方法,改进NZV方法在考虑钢丝绳弹性因素的情况下具有更好的摆动控制效果,既能满足抓斗的摆角控制又能提高卸船机的工作效率;通过抓斗摆角对弹性参数的敏感性分析,表明抓斗最大残余摆角对钢丝绳直径的变化较弹性模量的变化更为敏感。(4)基于虚拟样机技术建立了抓斗卸船机虚拟样机模型,其中利用ADAMS/Machinery Cable模块创建了柔性钢丝绳和滑轮组系统,实现了钢丝绳的参数化建模,仿真验证了所建理论数学模型的正确性;并对抓斗开/闭斗状态变换时抓斗摆动控制效果进行了仿真分析,表明抓斗摆动控制中需要考虑抓斗开/闭斗变换导致的重心变化。

关键词：抓斗卸船机钢丝绳弹性改进NZV方法虚拟样机技术摆动控制

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摆动控制在ESR电渣炉冶炼中的应用

摆动控制在ESR电渣炉冶炼中的应用

中国机械工程学会第十一届全国铸造年会

作者：宋红杰王泽宁邢台机械轧辊(集团)有限公司邢台机械轧辊(集团)有限公司

本文从冶金学和结晶学的角度分析了ESR熔炼摆动控制的冶金原理,介绍了摆动控制工艺的过程以及摆动控制的优点。

关键词：电渣重熔摆动控制浸入深度

来源： cnki会议评论

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起重机摆动控制系统的研究

起重运输机械 2012年第9期 1-6页

作者：李国杰三一集团有限公司上海200125

为了实现起重机的自动化控制作业,同时有效提升起重机装卸作业效率,必须采用有效手段对起重机作业过程中的起吊物摆动进行控制。文中提出了基于起重机运行加速度控制的摆动控制方法,并构建了起重机摆动控制系统。首先建立了起重机搬运... 详细信息

为了实现起重机的自动化控制作业,同时有效提升起重机装卸作业效率,必须采用有效手段对起重机作业过程中的起吊物摆动进行控制。文中提出了基于起重机运行加速度控制的摆动控制方法,并构建了起重机摆动控制系统。首先建立了起重机搬运系统的三维模型,基于三维运动方程并结合实际的操作经验提出了一种有效的摆动控制方法。分析了摆动控制系统的特征参数,给出了摆动控制参数的具体计算方法,并进行了三维仿真与试验,仿真及试验结果验证了提出方法的有效性。

关键词：起重机搬运系统建模摆动控制运动控制数值仿真