机械工程专业优秀论文机械工程专业优秀论文 构件阻尼和运动副摩擦参数辨识的理论与构件阻尼和运动副摩擦参数辨识的理论与实验研究实验研究关键词：非线性阻尼关键词：非线性阻尼 阻尼合金阻尼合金 参数辨识参数辨识 机械手机械手摘要：构件阻尼和运动副摩擦作为机械系统中耗散力的主要来源，对机械系统 的减振降噪中起着重要作用，对这两方面的分析准确与否都会对机械系统的动 力学仿真以及控制的效果产生直接的影响。本论文从机械系统中的构件阻尼和 运动副摩擦的辨识入手，研究了机械系统中两种耗能元件的参数辨识方法。具 体研究工作如下。 (1)在时不变参数模型法辨识定常阻尼的基础上，引入信 号处理中的矩形窗理论，提出了计算非线性阻尼的移动自回归模型法、移动指 数法和移动 Prony 法。根据多次仿真及实验，给出了矩形窗长度选择的经验值， 为三种方法更好地描述非线性阻尼关系曲线提供了保证。数值仿真中分析了三 种方法的识别精度受白噪声影响的程度，仿真结果表明三种方法均能有效地识 别阻尼合金的非线性阻尼。 (2)将阻尼考虑为时变参数，在自回归模型法和 Prony 法的基础上，根据时变参数模型辨识理论，提出了辨识非线性阻尼的时 变 AR 法和时变 Prony 法。分析了不同基函数对非线性阻尼辨识精度的影响，给 出了基函数维数选择的标准。 (3)首次将时频分析理论引入到非线性阻尼的 辨识中来，提出了计算非线性阻尼的分段线性化的小波分析法和分段线性化的 短时傅立叶变换法。仿真结果表明分段线性化的时频分析理论可以用在非线性 阻尼辨识中，分段线性化的小波变换的参数估计精度要高于分段线性化的短时 傅立叶变换。 (4)开发了辨识阻尼合金材料非线性阻尼的实验装置。以铝基 和锌基两种阻尼合金为研究对象，设计并制作了非均匀应力场试件和准均匀应 力场试件。分别采用自由响应法和正弦扫频激励法进行测试，利用本文提出的 各种算法得出了两种阻尼合金的损耗因子应变和损耗因子频率的非线 性关系曲线，得出的准均匀应力场下的非线性阻尼值更具合理性，为该合金的 工程应用提供了实验支持。 (5)针对单自由度系统中阻尼和摩擦的参数辨识， 引入移动矩形窗理论，提出了可以从自由响应曲线中同时辨识非线性阻尼和库 仑摩擦的移动矩形窗法。通过对一个具有非线性阻尼和库仑摩擦的单自由度振 动系统的数值仿真，得到了令人满意的结果。 (6)以库仑+粘性静态摩擦模型 为研究对象，从时域和频域角度提出了摩擦模型的参数辨识理论及算法。以 LuGre 动态摩擦模型为研究对象，采用变尺度法和非线性最小二乘法辨识出了 该模型的静态摩擦参数。为了简化动态摩擦参数的辨识难度，将粘着状态下的 摩擦力与预滑动位移的关系线性化处理，提出了动态摩擦参数的辨识方法。 (7)设计搭建了单自由度回转机械系统运动副摩擦参数辨识实验装置，进行了库 仑+粘性摩擦模型参数辨识的实验研究。设计搭建了 X-Y 运动平台实验装置，对 其运动副中的摩擦建立了 LuGre 摩擦模型，并针对摩擦参数辨识进行了实验研 究。验证了摩擦参数辨识方法的可行性和有效性，为相关的摩擦研究提供了实 验基础。 (8)以两自由度机械手为研究对象，进行了基于库仑摩擦和 LuGre 摩擦模型的分解加速度控制研究。设计了基于 LuGre 摩擦模型的摩擦观测器， 仿真结果表明了 LuGre 模型观测器的正确性。通过对末端执行器轨迹的跟踪比 较，得出了基于 LuGre 摩擦模型的控制补偿对理论轨迹的逼近程度要好于基于 库仑摩擦模型的结论。正文内容正文内容构件阻尼和运动副摩擦作为机械系统中耗散力的主要来源，对机械系统的 减振降噪中起着重要作用，对这两方面的分析准确与否都会对机械系统的动力 学仿真以及控制的效果产生直接的影响。本论文从机械系统中的构件阻尼和运 动副摩擦的辨识入手，研究了机械系统中两种耗能元件的参数辨识方法。具体 研究工作如下。 (1)在时不变参数模型法辨识定常阻尼的基础上，引入信号 处理中的矩形窗理论，提出了计算非线性阻尼的移动自回归模型法、移动指数 法和移动 Prony 法。根据多次仿真及实验，给出了矩形窗长度选择的经验值， 为三种方法更好地描述非线性阻尼关系曲线提供了保证。数值仿真中分析了三 种方法的识别精度受白噪声影响的程度，仿真结果表明三种方法均能有效地识 别阻尼合金的非线性阻尼。 (2)将阻尼考虑为时变参数，在自回归模型法和 Prony 法的基础上，根据时变参数模型辨识理论，提出了辨识非线性阻尼的时 变 AR 法和时变 Prony 法。分析了不同基函数对非线性阻尼辨识精度的影响，给 出了基函数维数选择的标准。 (3)首次将时频分析理论引入到非线性阻尼的 辨识中来，提出了计算非线性阻尼的分段线性化的小波分析法和分段线性化的 短时傅立叶变换法。仿真结果表明分段线性化的时频分析理论可以用在非线性 阻尼辨识中，分段线性化的小波变换的参数估计精度要高于分段线性化的短时 傅立叶变换。 (4)开发了辨识阻尼合金材料非线性阻尼的实验装置。以铝基 和锌基两种阻尼合金为研究对象，设计并制作了非均匀应力场试件和准均匀应 力场试件。分别采用自由响应法和正弦扫频激励法进行测试，利用本文提出的 各种算法得出了两种阻尼合金的损耗因子应变和损耗因子频率的非线 性关系曲线，得出的准均匀应力场下的非线性阻尼值更具合理性，为该合金的 工程应用提供了实验支持。 (5)针对单自由度系统中阻尼和摩擦的参数辨识， 引入移动矩形窗理论，提出了可以从自由响应曲线中同时辨识非线性阻尼和库 仑摩擦的移动矩形窗法。通过对一个具有非线性阻尼和库仑摩擦的单自由度振 动系统的数值仿真，得到了令人满意的结果。 (6)以库仑+粘性静态摩擦模型 为研究对象，从时域和频域角度提出了摩擦模型的参数辨识理论及算法。以 LuGre 动态摩擦模型为研究对象，采用变尺度法和非线性最小二乘法辨识出了 该模型的静态摩擦参数。为了简化动态摩擦参数的辨识难度，将粘着状态下的 摩擦力与预滑动位移的关系线性化处理，提出了动态摩擦参数的辨识方法。 (7)设计搭建了单自由度回转机械系统运动副摩擦参数辨识实验装置，进行了库 仑+粘性摩擦模型参数辨识的实验研究。设计搭建了 X-Y 运动平台实验装置，对 其运动副中的摩擦建立了 LuGre 摩擦模型，并针对摩擦参数辨识进行了实验研 究。验证了摩擦参数辨识方法的可行性和有效性，为相关的摩擦研究提供了实 验基础。 (8)以两自由度机械手为研究对象，进行了基于库仑摩擦和 LuGre 摩擦模型的分解加速度控制研究。设计了基于 LuGre 摩擦模型的摩擦观测器， 仿真结果表明了 LuGre 模型观测器的正确性。通过对末端执行器轨迹的跟踪比 较，得出了基于 LuGre 摩擦模型的控制补偿对理论轨迹的逼近程度要好于基于 库仑摩擦模型的结论。 构件阻尼和运动副摩擦作为机械系统中耗散力的主要来源，对机械系统的减振 降噪中起着重要作用，对这两方面的分析准确与否都会对机械系统的动力学仿 真以及控制的效果产生直接的影响。本论文从机械系统中的构件阻尼和运动副 摩擦的辨识入手，研究了机械系统中两种耗能元件的参数辨识方法。具体研究工作如下。 (1)在时不变参数模型法辨识定常阻尼的基础上，引入信号处理 中的矩形窗理论，提出了计算非线性阻尼的移动自回归模型法、移动指数法和 移动 Prony 法。根据多次仿真及实验，给出了矩形窗长度选择的经验值，为三 种方法更好地描述非线性阻尼关系曲线提供了保证。数值仿真中分析了三种方 法的识别精度受白噪声影响的程度，仿真结果表明三种方法均能有效地识别阻 尼合金的非线性阻尼。 (2)将阻尼考虑为时变参数，在自回归模型法和 Prony 法的基础上，根据时变参数模型辨识理论，提出了辨识非线性阻尼的时 变 AR 法和时变 Prony 法。分析了不同基函数对非线性阻尼辨识精度的影响，给 出了基函数维数选择的标准。 (3)首次将时频分析理论引入到非线性阻尼的 辨识中来，提出了计算非线性阻尼的分段线性化的小波分析法和分段线性化的 短时傅立叶变换法。仿真结果表明分段线性化的时频分析理论可以用在非线性 阻尼辨识中，分段线性化的小波变换的参数估计精度要高于分段线性化的短时 傅立叶变换。 (4)开发了辨识阻尼合金材料非线性阻尼的实验装置。以铝基 和锌基两种阻尼合金为研究对象，设计并制作了非均匀应力场试件和准均匀应 力场试件。分别采用自由响应法和正弦扫频激励法进行测试，利用本文提出的 各种算法得出了两种阻尼合金的损耗因子应变和损耗因子频率的非线 性关系曲线，得出的准均匀应力场下的非线性阻尼值更具合理性，为该合金的 工程应用提供了实验支持。 (5)针对单自由度系统中阻尼和摩擦的参数辨识， 引入移动矩形窗理论，提出了可以从自由响应曲线中同时辨识非线性阻尼和库 仑摩擦的移动矩形窗法。通过对一个具有非线性阻尼和库仑摩擦的单自由度振 动系统的数值仿真，得到了令人满意的结果。 (6)以库仑+粘性静态摩擦模型 为研究对象，从时域和频域角度提出了摩擦模型的参数辨识理论及算法。以 LuGre 动态摩擦模型为研究对象，采用变尺度法和非线性最小二乘法辨识出了 该模型的静态摩擦参数。为了简化动态摩擦参数的辨识难度，将粘着状态下的 摩擦力与预滑动位移的关系线性化处理，提出了动态摩擦参数的辨识方法。 (7)设计搭建了单自由度回转机械系统运动副摩擦参数辨识实验装置，进行了库 仑+粘性摩擦模型参数辨识的实验研究。设计搭建了 X-Y 运动平台实验装置，对 其运动副中的摩擦建立了 LuGre 摩擦模型，并针对摩擦参数辨识进行了实验研 究。验证了摩擦参数辨识方法的可行性和有效性，为相关的摩擦研究提供了实 验基础。 (8)以两自由度机械手为研究对象，进行了基于库仑摩擦和 LuGre 摩擦模型的分解加速度控制研究。设计了基于 LuGre 摩擦模型的摩擦观测器， 仿真结果表明了 LuGre 模型观测器的正确性。通过对末端执行器轨迹的跟踪比 较，得出了基于 LuGre 摩擦模型的控制补偿对理论轨迹的逼近程度要好于基于 库仑摩擦模型的结论。 构件阻尼和运动副摩擦作为机械系统中耗散力的主要来源，对机械系统的减振 降噪中起着重要作用，对这两方面的分析准确与否都会对机械系统的动力学仿 真以及控制的效果产生直接的影响。本论文从机械系统中的构件阻尼和运动副 摩擦的辨识入手，研究了机械系统中两种耗能元件的参数辨识方法。具体研究 工作如下。 (1)在时不变参数模型法辨识定常阻尼的基础上，引入信号处理 中的矩形窗理论，提出了计算非线性阻尼的移动自回归模型法、移动指数法和 移动 Prony 法。根据多次仿真及实验，给出了矩形窗长度选择的经验值，为三 种方法更好地描述非线性阻尼关系曲线提供了保证。数值仿真中分析了三种方 法的识别精度受白噪声影响的程度，仿真结果表明三种方法均能有效地识别阻 尼合金的非线性阻尼。 (2)将阻尼考虑为时变参数，在自回归模型法和Prony 法的基础上，根据时变参数模型辨识理论，提出了辨识非线性阻尼的时 变 AR 法和时变 Prony 法。分析了不同基函数对非线性阻尼辨识精度的影响，给 出了基函数维数选择的标准。 (3)首次将时频分析理论引入到非线性阻尼的 辨识中来，提出了计算非线性阻尼的分段线性化的小波分析法和分段线性化的 短时傅立叶变换法。仿真结果表明分段线性化的时频分析理论可以用在非线性 阻尼辨识中，分段线性化的小波变换的参数估计精度要高于分段线性化的短时 傅立叶变换。 (4)开发了辨识阻尼合金材料非线性阻尼的实验装置。以铝基 和锌基两种阻尼合金为研究对象，设计并制作了非均匀应力场试件和准均匀应 力场试件。分别采用自由响应法和正弦扫频激励法进行测试，利用本文提出的 各种算法得出了两种阻尼合金的损耗因子应变和损耗因子频率的非线 性关系曲线，得出的准均匀应力场下的非线性阻尼值更具合理性，为该合金的 工程应用提供了实验