新型混联式汽车电泳涂装输送机构结合扰动观测器的滑模控制

发布时间：2017-10-08 07:18

  本文关键词：新型混联式汽车电泳涂装输送机构结合扰动观测器的滑模控制

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【摘要】：现代化汽车制造中,汽车电泳涂装输送系统贯穿于汽车涂装生产线的全过程。传统的悬挂式输送系统存在车身易受污染,顶盖及空腔结构内的空气排不尽等问题;摆杆链输送机解决了车身污染的问题,但无法根除车顶空气包;国际先进的Ro Dip输送机和多功能穿梭机等都是悬臂梁结构,承受重载荷、大载荷的能力较差,柔性化水平不高。本课题组基于混联机构研制了一种新型汽车电泳涂装输送机构。混联机构是一个具有多变量、高度非线性与耦合性的被控对象,已有的基于动力学模型控制方法的控制效果依赖于混联机构动力学模型的准确性。混联机构的闭链结构和运动学约束使其动力学模型较为复杂,另外,实际工程系统中由物理参数测量误差引起的参数不确定性、模型误差以及系统存在的摩擦力和外部未知扰动,使得难以建立准确的动力学模型,因此传统的PID控制无法满足混联机构的高性能跟踪控制。滑模控制由于具有响应快速、对外界扰动和系统参数变化不敏感、无需系统在线辩识、物理实现简单等优点,因而具有良好的适应性和鲁棒性,适用于混联机构的控制。然而,当参数不确定性、模型误差、摩擦力和外部未知扰动变化较大时,过高的开关增益将引起系统较大的抖振,从而磨损物理系统。为了克服滑模控制的上述问题,并使系统获得更好的控制性能、更强的鲁棒性,针对存在参数不确定性、模型误差、摩擦力和外部未知扰动的新型混联式汽车电泳涂装输送机构,本文提出了一种将滑模控制与扰动观测器相结合的控制方法。本文首先阐述了汽车电泳涂装输送设备的发展,以及混联机构的研究现状;其次针对新型混联式汽车电泳涂装输送机构建立运动学逆解模型、运动学正解模型、雅可比矩阵,并对输送机构的位置逆解进行MATLAB仿真,验证运动学分析的正确性;接着采用拉格朗日法建立输送机构的动力学模型,并对所建立模型进行仿真分析,验证所建立模型的可靠性;考虑输送机构在实际控制中存在参数不确定性、模型误差、摩擦力和外部未知扰动,为消除其对系统产生的不利影响,提高机构的控制性能,提出了一种结合扰动观测器的滑模控制策略。根据该机构的控制要求,设计滑模控制器,并设计非线性扰动观测器对系统存在的参数不确定性、模型误差、摩擦力和外部未知扰动进行估计,把估计值作为扰动补偿量。然后,运用Lyapunov稳定性理论证明了所提出控制方法的稳定性,并将所设计的控制方法与单纯的滑模控制进行MATLAB仿真比较。仿真结果证明了本文所提出的结合扰动观测器的滑模控制方法不仅使系统获得更好的控制性能,更强的鲁棒性,而且可削弱滑模控制的抖振,从而实现对新型混联式汽车电泳涂装输送机构的高性能跟踪控制;然后采用“PC+UMAC”的分布式控制方式,完成输送机构控制系统硬件设计,基于Pewin32Pro2开发下位机的运动程序,基于VS2013集成开发环境及MFC软件开发包设计上位机人机界面,完成输送机构控制系统软件设计。最后基于该控制系统,对所设计的结合扰动观测器的滑模控制算法进行实验,以验证所设计控制算法的正确性和有效性。
【关键词】：混联机构 动力学模型 滑模控制 扰动观测器 UMAC
【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
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 课题研究背景及意义11-12
• 1.3 汽车电泳涂装输送设备概述12-16
• 1.4 混联机构概述及其控制研究现状16-20
• 1.4.1 混联机构概述16-17
• 1.4.2 混联机构及其控制研究现状17-20
• 1.5 本文的主要研究内容及目的意义20-22
• 1.5.1 本文的主要研究内容20-21
• 1.5.2 本文的主要研究目的和意义21-22
• 1.6 本章小结22-23
• 第二章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构运动学分析23-32
• 2.1 引言23
• 2.2 新型混联式汽车电泳涂装输送机构简介23-24
• 2.3 升降翻转机构运动学分析24-28
• 2.3.1 升降翻转机构位置逆解24-27
• 2.3.2 升降翻转机构位置正解27-28
• 2.3.3 升降翻转机构雅可比矩阵28
• 2.4 输送机构的期望轨迹确定及运动学逆解仿真28-31
• 2.4.1 汽车电泳涂装输送机构的期望轨迹确定28-30
• 2.4.2 运动学逆解仿真30-31
• 2.5 本文小结31-32
• 第三章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构动力学分析32-45
• 3.1 引言32
• 3.2 输送机构动力学建模32-44
• 3.2.1 拉格朗日法原理及建模步骤32-34
• 3.2.2 输送机构动力学模型的建立34-42
• 3.2.3 输送机构动力学模型的仿真与分析42-44
• 3.3 本章小结44-45
• 第四章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构结合扰动观测器的滑模控制研究45-64
• 4.1 引言45
• 4.2 滑模控制的基本原理及滑模控制器设计45-49
• 4.2.1 滑模控制基本原理45-47
• 4.2.2 输送机构滑模控制器的设计47-49
• 4.3 扰动观测器的基本原理及其设计49-54
• 4.3.1 扰动观测器简介49
• 4.3.2 扰动观测器研究现状49-51
• 4.3.3 扰动观测器的设计51-54
• 4.4 结合扰动观测器的滑模控制器设计54-55
• 4.5 结合扰动观测器的滑模控制器仿真分析55-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第五章 输送机构控制系统构建及实验研究64-85
• 5.1 引言64
• 5.2 新型混联式汽车电泳涂装输送机构控制系统总体结构64-66
• 5.3 输送机构控制系统硬件结构设计66-72
• 5.3.1 上位机开发平台66
• 5.3.2 下位机运动控制器 UMAC66-68
• 5.3.3 伺服系统68-70
• 5.3.4 位置检测系统70
• 5.3.5 控制系统供电电路70-72
• 5.4 输送机构控制系统软件设计72-82
• 5.4.1 UMAC软件开发环境72-74
• 5.4.2 UMAC控制变量及指令系统74-75
• 5.4.3 UMAC的调试75-77
• 5.4.4 上位机软件设计77-82
• 5.5 输送机构控制实验82-84
• 5.6 本章小结84-85
• 第六章 全文总结85-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 攻读硕士学位期间发表论文与成果92

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