混合驱动机电一体化系统建模与控制

摘要

混合驱动机电一体化系统是一种半柔性系统。它采用两种不同类型的电机驱动，即普通的常速电机和伺服电机，通过混合驱动机构进行耦合，由终端执行器实现半柔性输出运动。混合驱动系统介于传统的刚性机器和现代化的全柔性机器之间，它弥补了传统刚性机器柔性不足和全柔性机器造价昂贵的特点。因此对这类半柔性机器进行研究具有重要的理论意义和应用价值。混合驱动系统到目前经历了二十多年的发展，在其构型及运动规律的分析和综合上已有大量的学者进行了研究。由于常速电机速度波动且不可控的问题，目前在对混合驱动系统的控制上的研究并不多。本文首先探讨了满足混合驱动的五杆机构构型、可动性、及其工作空间分析；设计了一个双曲柄五杆机构，并且建立了机构的三维模型，为后面的控制系统仿真分析提供了结构参数。
　　本研究主要内容包括：⑴正运动学分析及逆运动学分析是研究五杆机构动力学及控制系统的理论基础。本文用封闭矢量法建立了五杆机构的运动学模型，分析了终端轨迹与各个杆件之间的运动关系。利用拉格朗日方程推导出五杆机构的动力学模型，并且写成类似于开链机械手动力学方程的形式，便于控制器的设计和控制参数的选择；简单分析了电机的动力学模型，与五杆机构的动力学模型结合，建立了完整的混合驱动机电一体化系统的模型，为实现其控制打下了基础。⑵轨迹跟踪精度和轮廓跟踪精度是衡量混合驱动系统控制器的重要指标。以往针对混合驱动系统开发的控制器都没有彻底解决常速电机不可控的问题。本文首次采用自适应比例微分滑模控制，通过补偿常速电机的速度波动，从而提升终端执行器的轨迹性能，并且对控制器进行了稳定性分析。选用了直线轨迹和圆弧轨迹进行仿真分析，并与比例微分滑模控制和纯比例微分控制进行了对比，分析了不同控制参数对控制器性能的影响，及在初始误差情况下的控制性能，验证了自适应比例微分滑模控制具有优越的轨迹跟踪控制性能。⑶介绍了位置域控制的概念及优点，提出了位置域的自适应比例微分滑模控制，并应用于混合驱动系统的轮廓跟踪控制，这一控制器同样选用直线轮廓和圆弧轮廓进行仿真分析。结果表明位置域自适应比例微分滑模控制能极大的提升混合驱动系统的轮廓跟踪精度，并且控制器具有很好的鲁棒性和快速响应能力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 项目来源

1.2 论文选题的背景与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文的研究内容与组织

第2章 混合驱动机构设计

2.1 平面铰链五杆机构可动性分析

2.2 五杆机构工作空间分析

2.3 五杆机构三维建模

2.4 本章小结

第3章 平面五杆机构运动学与动力学分析

3.1正运动学分析

3.2 逆运动学分析

3.3 五杆机构动力学模型

3.4 电机动力学模型

3.5 混合驱动系统机电一体化动力学模型

3.6 本章小结

第4章 混合驱动系统控制器设计

4.1 轨迹误差与轮廓误差

4.2 控制方法简介

4.3 APD-SMC控制器设计

4.4 控制器稳定性分析

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

第5章 位置域混合驱动系统控制器设计

5.1 相对导数

5.2 位置域控制器

5.3 直线轮廓跟踪性能仿真

5.4 不同控制增益对直线轮廓跟踪性能的影响

5.5 具有初始误差情况下的直线轮廓跟踪性能

5.6 圆弧轮廓跟踪性能仿真

5.7 不同控制增益对圆弧轮廓跟踪性能的影响

5.8具有初始误差情况下的圆弧轮廓跟踪性能

5.9 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

附录A：攻读学位期间发表的论文与科研成果清单

致谢