结合非线性扰动观测器的新型混联式汽车电泳涂装输送机构同步滑模控制

摘要

现有汽车电泳涂装输送机构，如传统推杆式输送机和摆杆式输送机存在车顶气包排不尽等问题；先进的RoDip输送机和多功能穿梭机虽然能彻底清除车顶气包，但由于采用了悬臂梁结构，难以承受大载荷、重载荷，多车型混线生产柔性化水平不高。本课题组利用混联机构兼有串联机构和并联机构的优点，在国家自然科学基金项目(51375210)的资助下研发了一种新型混联式汽车电泳涂装输送机构。该输送机构不仅能够在电泳涂装过程中消除车顶气包，还具有车型适用性广、承载能力强等优点。
　　由于所研发的新型混联式汽车电泳涂装输送机构采用混联式结构，机构中存在多个运动支链，且各支链之间存在强耦合作用，当机构高速运动时，其动力学特性对机构的控制精度将产生较大影响，为此有必要对该输送机构进行动力学控制研究。目前大部分针对并/混联机构所设计的动力学控制算法，其控制回路仅接收所控运动支链的反馈信息，而不包含其它支链反馈信息，因此，某个运动支链对应控制回路中的跟踪误差，仅在该回路得以纠正，其它控制回路并不响应，这将导致各支链运动不同步。由于并/混联机构末端执行器跟踪精度是由所有运动支链共同决定的，为使末端执行器具有较高的跟踪精度，各运动支链应当保持同步运动。对于本文所研究的新型输送机构，其具有两边对称结构，对同步性能有着较高的要求，当各支链运动不同步时将导致跟踪精度下降，严重时，甚至会损坏机构。为了实现该输送机构的同步协调控制，本文从同步控制理论着手，针对该输送机构进行高性能运动控制研究。此外，在实际控制系统中还经常存在建模误差、摩擦力以及外界随机干扰等不确定因素的影响，而现有同步控制相关研究未能有效克服这些不确定因素。考虑到滑模控制对系统的模型不确定和外部扰动具有鲁棒性和不敏感性，本文将滑模控制与同步控制相结合，以在提高系统同步性能的同时增强系统的鲁棒性。但在实际控制中，往往要选择尽可能大的滑模控制切换增益，以覆盖大范围的不确定性，而大切换增益通常会带来高能量输出，从而引起剧烈的抖振和执行器饱和等问题。针对上述问题，本文提出一种结合非线性扰动观测器的同步滑模控制算法，以在提高系统同步性能的同时增强系统的鲁棒性和抗干扰能力，并抑制滑模控制的抖振和执行器饱和等问题。
　　本文首先综述了现有汽车电泳涂装输送设备和混联机构的发展概况，然后从混联机构控制过程中存在的不确定性、运动学分析、动力学建模以及控制方法研究等几个方面详细分析了混联机构国内外相关控制理论研究现状以及存在的问题；接着，针对新型混联式汽车电泳涂装输送机构进行运动学分析，推导出输送机构位置逆解方程和雅克比矩阵，并根据汽车电泳涂装工艺要求，设计了输送机构末端执行器的期望运动轨迹；其次，在运动学分析基础上，采用Lagrange法建立了升降翻转机构笛卡尔空间动力学模型和包含集总扰动项的升降翻转机构关节空间动力学模型，并通过MATLAB软件验证了所建立动力学模型的可靠性；然后，为了提高输送机构的同步协调性，设计了一种相邻交叉耦合同步NPD(Nonlinear Proportion-Derivative)控制算法，仿真结果表明，与常规NPD控制器相比，在不考虑不确定因素的情况下该控制算法能够有效减小各关节之间的同步误差、提高系统跟踪精度，但当系统存在摩擦力、外界随机干扰以及建模误差等不确定因素时，该控制算法难以实现稳定的轨迹跟踪控制；接着，为了解决相邻交叉耦合同步控制面对不确定因素时鲁棒性差的问题，采用双幂次趋近律，设计了一种相邻交叉耦合同步滑模控制算法，仿真结果表明，在存在不确定因素的情况下，与相邻交叉耦合同步NPD控制相比，相邻交叉耦合同步滑模控制算法具有更高的轨迹跟踪精度和更强的鲁棒性；为进一步解决滑模控制抖振问题，并进一步提高控制系统的抗干扰能力，引入了一种非线性扰动观测器，进而提出一种结合非线性扰动观测器的同步滑模控制器，并理论证明了集总扰动变化率非零时观测误差指数收敛，仿真结果表明，所设计结合非线性扰动观测器的同步滑模控制器能够在提高系统同步性能的同时增强系统的鲁棒性和抗干扰能力，并能有效抑制滑模控制的抖振和执行器饱和等问题；最后，根据输送机构的控制要求，采用“上位机+下位机”分布式计算机控制系统结构，构建了新型混联式汽车电泳涂装输送机构控制系统实验平台，并基于该实验平台完成了输送机构运动控制实验。实验结果进一步验证了所设计结合非线性扰动观测器的同步滑模控制器的可行性与有效性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 汽车电泳涂装输送设备概述

1.3 混联机构的发展及应用

1.4 混联机构研究现状

1.5 本文的研究内容、目的及意义

1.6 本章小结

第二章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构运动学及动力学分析

2.1 引言

2.2 新型混联式汽车电泳涂装输送机构结构简介

2.3 行走机构运动学分析

2.4 升降翻转机构运动学分析

2.5 输送机构动力学建模

2.6 本章小结

第三章 结合非线性扰动观测器的同步滑模控制研究

3.1 引言

3.2 输送机构的同步控制器设计

3.3 输送机构的同步滑模控制器设计

3.4结合非线性扰动观测器的同步滑模控制器设计

3.5本章小结

第四章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构控制系统构建

4.1 引言

4.2 输送机构计算机控制系统构建方案设计

4.3 输送机构控制系统的硬件设计

4.4输送机构控制系统的软件设计

4.5 本章小结

第五章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构运动控制实验

5.1 引言

5.2 新型混联式汽车电泳涂装输送机构装机

5.3 控制器参数整定

5.4 实验操作步骤

5.5 输送机构运动控制实验结果

5.6 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文与成果