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

发布时间：2017-10-28 08:00

  本文关键词：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

  更多相关文章： 混联机构 动力学建模 旋量理论 二阶滑模控制 Super-Twisting算法

【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。
【关键词】：混联机构 动力学建模 旋量理论 二阶滑模控制 Super-Twisting算法
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U468.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 引言12
• 1.2 汽车电泳涂装输送设备概述12-15
• 1.3 混联机构的发展及应用15-19
• 1.3.1 混联机构概述15-16
• 1.3.2 混联机构国内外发展概况16-19
• 1.4 混联机构相关理论的研究现状19-25
• 1.4.1 运动学分析19-20
• 1.4.2 动力学建模20-23
• 1.4.3 控制方法研究23-25
• 1.5 本文的研究内容、目的及意义25-27
• 1.5.1 本文的研究内容25-26
• 1.5.2 本文的研究目的及意义26-27
• 1.6 本章小节27-28
• 第二章 旋量理论基础28-32
• 2.1 引言28
• 2.2 旋量与刚体运动28-31
• 2.2.1 线矢量与旋量28-29
• 2.2.2 旋量的运算29
• 2.2.3 运动旋量29-30
• 2.2.4 力旋量30-31
• 2.3 螺旋运动方程31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构运动学分析32-49
• 3.1 引言32
• 3.2 新型混联式汽车电泳涂装输送机构描述32-34
• 3.3 行走机构运动学分析34-35
• 3.4 升降翻转机构运动学分析35-42
• 3.4.1 坐标系建立35-36
• 3.4.2 升降翻转机构位置逆解36-37
• 3.4.3 升降翻转机构关节速度分析37-39
• 3.4.4 升降翻转机构关节加速度分析39-40
• 3.4.5 各构件速度旋量、加速度旋量40-42
• 3.5 新型输送机构运动学数值仿真42-48
• 3.5.1 新型输送机构运动轨迹规划43-45
• 3.5.2 运动学仿真与结果分析45-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第四章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构动力学分析49-62
• 4.1 引言49
• 4.2 虚功原理49-50
• 4.2.1 虚位移、虚功的概念49-50
• 4.2.2 刚体系的虚功原理50
• 4.3 行走机构动力学建模50-51
• 4.4 升降翻转机构动力学建模51-54
• 4.4.1 各构件力旋量51-52
• 4.4.2 动力学方程52-54
• 4.5 新型输送机构动力学模型54-55
• 4.6 新型输送机构动力学模型的仿真与结果分析55-60
• 4.6.1 新型输送机构的物理参数55-57
• 4.6.2 新型输送机构的驱动转矩57-59
• 4.6.3 位移量x对升降翻转机构驱动转矩的影响59-60
• 4.7 本章小结60-62
• 第五章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构二阶滑模控制研究62-87
• 5.1 引言62
• 5.2 滑模控制的基本原理62-69
• 5.2.1 传统滑模控制基本概念62-64
• 5.2.2 传统滑模控制的抖振问题64-65
• 5.2.3 二阶滑模控制基本概念65-67
• 5.2.4 二阶滑模控制的几种常用算法67-69
• 5.3 新型输送机构的传统滑模控制器设计69-70
• 5.3.1 基于趋近律的滑模控制律设计69-70
• 5.3.2 基于趋近律的滑模控制器稳定性分析70
• 5.4 新型输送机构的二阶滑模控制器设计70-80
• 5.4.1 基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制律设计70-71
• 5.4.2 基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制器稳定性分析71-72
• 5.4.3 基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制器仿真分析72-80
• 5.5 新型输送机构的二阶终端滑模控制器设计80-86
• 5.5.1 二阶非奇异快速终端滑模控制律设计80-81
• 5.5.2 二阶非奇异快速终端滑模控制器稳定性分析81-82
• 5.5.3 二阶非奇异快速终端滑模控制器仿真分析82-86
• 5.6 本章小结86-87
• 第六章 新型输送机构控制系统设计及实验研究87-112
• 6.1 引言87
• 6.2 新型输送机构控制系统总体结构87-88
• 6.3 新型输送机构控制系统硬件设计88-96
• 6.3.1 多轴运动控制器UMAC及扩展板卡选型88-92
• 6.3.2 上位机选型92
• 6.3.3 伺服驱动系统92-94
• 6.3.4 位置检测装置94-95
• 6.3.5 控制系统供电电路95-96
• 6.4 新型输送机构控制系统软件设计96-104
• 6.4.1 控制系统软件结构96
• 6.4.2 UMAC运动控制程序开发96-99
• 6.4.3 上位机软件设计99-104
• 6.5 新型输送机构控制实验研究104-111
• 6.6 本章小结111-112
• 第七章 全文总结112-114
• 参考文献114-120
• 致谢120-121
• 攻读硕士学位期间发表论文与成果121

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 唐香s，

本文编号：1107316