新型混联式汽车电泳涂装输送机构动力学建模及二阶滑模控制研究

摘要

现有汽车电泳涂装输送系统，例如悬挂链式输送系统和摆杆式输送系统存在无法根除车顶气包的问题，而多功能穿梭机和全旋反向浸渍输送系统，虽然解决了车顶气包问题，但由于采用悬臂梁结构，承受重载荷、大载荷的能力较差，柔性化水平不高。为此，本课题组利用混联机构具有高刚度、高承载、动态特性好、易于实现多自由度多模式运动的特点，在国家自然科学基金项目(51375210)资助下，研发了一种新型混联式汽车电泳涂装输送机构。该机构不仅能够在电泳过程中消除车顶气包，还具有承载能力强、柔性化水平高等特点。
　　对于所研发的新型输送机构，由于采用混联结构，机构存在高度非线性和强耦合性，当输送机构以较高的速度运动时，其动力学特性将对运动控制精度产生较大影响。因此，为保证该输送机构在各种工况条件和涂装输送各过程运行时平稳、可靠、到位准确，有必要对该机构进行动力学控制研究，以提高输送机构的运动控制性能。然而动力学控制的控制效果依赖于所建立的动力学模型，而新型输送机构是一个复杂空间多链机构，更适合从整体上对机构运动进行描述，因此本文从虚能量的角度出发将整个系统视为一个整体，采用结合旋量理论与虚功原理的方法建立新型输送机构动力学模型。另外，在实际工程系统中常常受到机构参数摄动、内部摩擦及外界干扰等不确定因素的影响，传统的动力学控制往往难以实现混联机构的高性能控制。滑模控制对外界干扰及系统参数变化不敏感，具有较强鲁棒性，且易于实现，但由于滑模控制律具有不连续开关特性，会引起系统抖振，影响系统的控制性能。对于上述问题，本文针对新型输送机构提出一种基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制方法，既满足系统鲁棒性要求，又能消除系统抖振。在此基础上，为进一步提高系统的收敛速度，对于基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制，通过引入非奇异快速终端滑模面，提出一种二阶非奇异快速终端滑模控制方法。本文的研究为实现新型混联式汽车电泳涂装输送机构在汽车涂装工业中的实际应用奠定了基础。
　　本文首先综述了汽车电泳涂装输送设备和混联机构的发展及应用概况，并从运动学分析、动力学建模和混联机构控制方法研究三个方面阐述了混联机构相关理论的研究现状。接着，介绍了旋量理论的数学基础和新型输送机构的工作原理及特点，考虑到新型输送机构中的行走机构与升降翻转机构之间相互独立，分别建立了行走机构与升降翻转机构的运动学模型。其中，对于行走机构，由于机构相对简单，根据行走机构的几何特性得出左、右行走驱动电机的速度与加速度。而对于升降翻转机构，考虑到是一个复杂空间多链机构，更适合从整体上对机构运动进行描述，为此研究采用旋量理论进行了运动学分析。其次，在运动学分析的基础上，结合虚功原理法建立了新型输送机构旋量形式的动力学模型，并对其进行了动力学仿真，仿真结果验证了所建动力学模型的可靠性。然后，为解决传统滑模控制所固有的抖振问题，针对新型输送机构研究设计了一种基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制器，并将其与基于趋近律的滑模控制器进行仿真比较，仿真结果表明该控制器不仅使系统具有较强的鲁棒性和更高的稳态精度，而且能够消除系统抖振。另外，为进一步解决基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制器收敛速度较慢的问题，通过引入非奇异快速终端滑模面，针对新型输送机构研究设计了一种二阶非奇异快速终端滑模控制器，并利用 Matlab/Simulink软件进行了仿真，仿真结果表明该控制器不仅保持了基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制器的优点，还有效提高了收敛速度，具有较优的综合控制性能。最后，根据输送机构的控制要求，构建了新型输送机构实验平台，并基于该实验平台完成了新型输送机构运动控制实验。实验结果进一步验证了本文针对新型输送机构所提出的二阶非奇异快速终端滑模控制器的可行性和有效性。