汽车电泳涂装输送用混联机器人自适应鲁棒二阶滑模控制研究

发布时间：2020-03-27 22:17

【摘要】：近年来,汽车制造业发展迅猛,汽车电泳涂装对输送系统的要求越来越高。目前贯穿于涂装生产线全过程的输送设备,如RoDip输送机和多功能穿梭机等均为悬臂梁串联机构,其柔性化程度不高且承载能力较差。混联机构将串、并联机构合理结合,具有高刚度、高承载和动态特性好的优点。为此,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用混联机器人。混联机器人系统是一种强非线性、强耦合的多输入多输出复杂系统,与运动学控制相比,动力学控制考虑混联机器人的动力学特性与耦合关系,可获得更好的控制效果,因此本文研究采用动力学控制方法。但混联机器人的动力学模型较为复杂,难以获得准确的动力学模型,因此存在建模误差,此外,混联机器人在实际控制中存在摩擦力以及外部随机干扰等诸多不确定性问题,上述不确定性均会对混联机器人的控制性能产生不良影响。考虑到超螺旋滑模控制不仅保持了传统滑模控制的鲁棒性,可以使得滑模变量及其导数在不确定性影响下同时收敛,且能够在一定程度上抑制滑模控制所带来的抖振问题,因此本文研究引入超螺旋二阶滑模控制方法以解决系统的不确定性问题。但超螺旋二阶滑模控制方法为确保系统的稳定性,需要其切换增益大于系统中不确定性的上界。在实际工程环境中,由于不确定性上界未知,因此超螺旋二阶滑模控制切换增益的选取要求应尽可能大,以克服电泳涂装输送过程中最恶劣情况下的不确定性。但过大的切换增益会引起滑模控制抖振和执行器饱和问题。为解决上述问题,本文引入新型增益自适应律,通过设计一种自适应规则动态调节超螺旋二阶滑模控制器的切换增益,使得超螺旋二阶滑模控制器在保证系统稳定性的同时可选取较小的切换增益,以进一步削弱滑模控制抖振,避免执行器饱和。此外,自适应超螺旋二阶滑模控制器给混联机器人系统带来鲁棒性的同时会在一定程度上牺牲其标称控制性能。为此,本文引入扰动观测器,进一步提出一种新型自适应鲁棒二阶滑模控制方法,通过实际系统的输出与状态信息对混联机器人系统中的不确定性进行有效观测,并通过前馈作用主动补偿不确定性对混联机器人控制性能的不良影响,以提高系统的鲁棒性和控制精度。扰动观测器的突出优势在于其可以与原有控制器分开设计,在不改变原有控制器的基础上提高汽车电泳涂装输送用混联机器人在存在未知不确定性的复杂情况下的控制性能。本文首先综述了现有汽车电泳涂装输送设备和混联机器人的发展概况,然后从混联机器人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等方面详细分析了国内外混联机器人相关研究现状以及存在的问题。接着,针对汽车电泳涂装输送用混联机器人进行运动学分析,建立输送用混联机器人位置逆解方程,求解雅克比矩阵,并根据汽车电泳涂装工艺要求和样机参数,确定输送用混联机器人末端执行器的期望运动轨迹。在运动学分析基础上,采用拉格朗日法建立了输送用混联机器人的动力学模型。基于该混联机器人动力学模型,为克服建模误差、摩擦力以及外界干扰等不确定因素对其控制性能的不良影响,本文提出一种自适应超螺旋二阶滑模控制方法,同时引入扰动观测器以估计并补偿系统中存在的不确定性,提高系统鲁棒性。接着运用Lyapunov稳定性定理证明本文所提出控制算法的稳定性。在此基础上,利用MATLAB/Simulink软件对所提出的控制算法进行仿真,通过与固定增益的超螺旋二阶滑模控制器和未结合扰动观测器的自适应超螺旋二阶滑模控制器进行比较,结果表明:在存在建模误差、摩擦力以及外界干扰等不确定因素情况下,自适应鲁棒二阶滑模控制具有较好的跟踪控制性能,同时能有效削弱滑模抖振。最后,根据输送用混联机器人的控制要求,采用“上位机+下位机”的分布式控制方式,完成控制系统硬件设计,基于MFC软件开发平台和Pcomm32W.dll动态链接库开发上位机应用程序,基于Pewin32Pro2开发下位机的运动控制程序,完成控制系统软件设计。最后基于该样机实验平台,对所提出的自适应鲁棒二阶滑模控制算法与未结合扰动观测器的自适应二阶滑模控制算法进行实验对比,分析实验结果以验证本文所提出自适应鲁棒二阶滑模控制算法的有效性与优越性。
【图文】：

悬挂链,输送系统

所需的各道工艺，并将涂装合格的汽车车身输送至汽车装配车间流水线上。汽车电泳涂装输送用机器人根据涂装工艺要求和工件尺寸与质量的不同，可分为连续式和间歇式机器人。其中，图1.1—图1.4分别为悬挂链式输送机、摆杆式输送机、全旋反向浸渍输送机、多功能穿梭机的示意图。悬挂链式输送机容易造成槽液和车身污染，存在车顶气包问题[7]；摆杆式输送机解决了车体和槽液污染问题，但同样无法彻底消除车顶气包[8]；全旋反向浸渍输送机和多功能穿梭机车型适用范围广，但技术复杂，设备成本高[9]。此外，现有汽车电泳涂装输送设备均采用悬臂结构，其承载能力较差，柔性化水平不高[10]。考虑到上述因素，在国家自然科学

输送系统,摆杆,穿梭机

图 1.1 普通悬挂链式输送系统图 1.2 摆杆式输送系统Fig.1.1 The suspension conveyor Fig.1.2 The swing-rod conveyor图 1.3 全旋反向浸渍输送系统图 1.4 多功能穿梭机Fig.1.3 RoDip Fig.1.4 VarioShuttle汽车电泳涂装输送用混联机器人相比传统的串联和并联机器人具有一定的优势，然而其相比串并联机器人而言也具有更复杂的动态特性，增加了控制系统设计的难度。同时，
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;U468.2

【参考文献】