混联式输送机构的计算机控制系统构建及考虑执行器饱和的控制研究

发布时间：2017-05-06 15:11

  本文关键词：混联式输送机构的计算机控制系统构建及考虑执行器饱和的控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现有汽车电泳涂装输送系统多为悬臂梁结构,承受重载荷、大载荷的能力较差,柔性化水平不高。本课题组在国家自然科学基金项目(51375210)的资助下,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,研制了一种结构简单、承载能力强、柔性化水平高、车型适用范围广的新型混联式汽车电泳涂装输送机构。针对本课题组所研制的混联式输送机构,在构建其计算机控制系统时,考虑到混联式输送机构控制系统采用基于动力学模型的控制算法,对控制系统的数据处理和实时控制能力要求较高,为此,本文研究采用“上位机(个人计算机)+下位机(UMAC多轴运动控制器)”的分布式控制方式构建混联式输送机构计算机控制系统。其中,上位机通过以太网与UMAC进行通讯,完成系统初始化、参数管理、代码编译及机构运行状态实时监控等任务;下位机为UMAC多轴运动控制器,完成插补运算、多轴运动控制等实时性任务。该控制方式既充分利用了上位机的输入、显示等功能,又发挥了UMAC稳定性高、实时性强等特性。对于一个实际工程系统,执行器的输出存在限幅,当系统控制输出量超出执行器输出的上下限时,执行器就会发生输出饱和现象。执行器饱和特性的存在会降低系统的控制性能,因此针对执行器存在饱和特性的问题,本文设计一种执行器饱和补偿系统以消除执行器饱和特性对控制系统的影响。然后,将执行器饱和补偿系统与滑模控制相结合,针对混联式输送机构设计一种考虑执行器饱和的滑模控制器,以实现混联式输送机构的高性能控制。本文的研究不仅具有一定的理论价值,而且具有一定的工程实用价值。本文主要研究内容及成果包括:(1)针对新型混联式输送机构,研究采用“上位机(个人计算机)+下位机(UMAC多轴运动控制器)”的分布式结构构建混联式输送机构控制系统硬件平台。(2)基于所构建的硬件平台,研究设计混联式输送机构控制系统软件。(3)针对新型混联式输送机构,以被输送汽车车身为负载,对输送机构进行运动学分析,并求得该机构的速度雅克比矩阵。然后,在运动学分析的基础上,研究采用拉格朗日法建立混联式输送机构在笛卡尔空间的动力学模型,并进一步求得混联式输送机构在关节空间的动力学模型。最后,利用MATLAB软件对所建立的运动学模型、动力学模型分别进行仿真。仿真结果验证了所建立运动学模型和动力学模型的正确性。(4)针对因控制器输出控制量过大而造成执行器饱和的问题,设计一种执行器饱和补偿系统,以消除执行器饱和特性对控制系统的影响;然后,将执行器饱和补偿系统与滑模控制相结合,针对混联式输送机构设计一种考虑执行器饱和的滑模控制器;最后利用MATLAB软件进行仿真,仿真结果表明采用考虑执行器饱和的滑模控制器具有较好的跟踪性能,且能有效解决实际工程系统中存在的执行器饱和特性问题。(5)基于所构建的混联式输送机构计算机控制系统实验平台,开展了混联式输送机构运动控制实验。实验结果进一步验证了本文所设计考虑执行器饱和的滑模控制器的正确性和有效性。
【关键词】：混联机构 计算机控制系统 UMAC 滑模控制 执行器饱和
【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;TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 汽车电泳涂装输送设备概述11-13
• 1.3 计算机控制系统概述13-16
• 1.4 混联机构概述16-19
• 1.4.1 混联机构的研究现状17-18
• 1.4.2 混联机构相关理论的研究18-19
• 1.5 考虑执行器饱和的控制研究现状19-20
• 1.6 本文的研究内容、目的及意义20-22
• 1.6.1 本文的研究内容20
• 1.6.2 本文的研究目的及意义20-22
• 第二章 混联式输送机构计算机控制系统的硬件结构设计22-33
• 2.1 引言22
• 2.2 混联式输送机构计算机控制系统总体结构22-23
• 2.3 混联式输送机构计算机控制系统硬件关键部件选型23-29
• 2.3.1 上位机23-24
• 2.3.2 多轴运动控制器UMAC24-26
• 2.3.3 伺服及位置检测装置26-29
• 2.4 混联式输送机构控制系统电气控制电路29-32
• 2.4.1 电气控制柜电源引入29-30
• 2.4.2 启动、停止按钮电路设计30
• 2.4.3 紧急停止按钮、伺服电机抱闸电路设计30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 混联式输送机构计算机控制系统软件设计33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 下位机运动控制程序开发33-38
• 3.2.1 运动程序开发环境33-34
• 3.2.2 UMAC与上位机的连接34
• 3.2.3 UMAC变量设置34-35
• 3.2.4 电机参数整定35-37
• 3.2.5 UMAC指令系统37
• 3.2.6 下位机运动控制程序37-38
• 3.3 上位机应用软件开发38-46
• 3.3.1 人机交互界面38-39
• 3.3.2 通讯模块39-40
• 3.3.3 连接、断开UMAC模块40-41
• 3.3.4 程序下载模块41
• 3.3.5 指令输入模块41-42
• 3.3.6 机构急停、复位模块42
• 3.3.7 手动微调模块42-43
• 3.3.8 机构实时运行状态监控模块43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 混联式输送机构运动学及动力学分析47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 混联式输送机构描述47-48
• 4.3 输送机构运动学分析48-51
• 4.3.1 输送机构位置逆解48-50
• 4.3.2 输送机构雅克比矩阵50-51
• 4.4 电泳涂装输送机构动力学建模51-57
• 4.4.1 拉格朗日法原理51
• 4.4.2 笛卡尔空间的动力学模型51-56
• 4.4.3 关节空间的动力学模型56-57
• 4.5 仿真及结果分析57-60
• 4.5.1 输送机构期望运动轨迹及运动学仿真57-59
• 4.5.2 输送机构动力学仿真59-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 混联式输送机构考虑执行器饱和的控制研究61-73
• 5.1 引言61
• 5.2 滑模控制基本原理61-63
• 5.3 考虑执行器饱和的滑模控制器设计63-66
• 5.3.1 执行器饱和补偿系统设计63-64
• 5.3.2 考虑执行器饱和的滑模控制律设计64-65
• 5.3.3 稳定性分析65-66
• 5.4 仿真试验及结果分析66-68
• 5.5 混联式输送机构运动控制实验研究68-71
• 5.6 本章小结71-73
• 第六章 全文总结73-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 攻读硕士学位期间发表论文与成果79

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