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原文传递结合自适应扩张状态观测器的汽车涂装输送混联机构动力学滑模控制

论文题名：	结合自适应扩张状态观测器的汽车涂装输送混联机构动力学滑模控制
关键词：	汽车涂装输送混联机构;动力学滑模控制;自适应扩张状态观测器
摘要：	近年来，汽车制造业持续快速发展。但现有汽车白车身涂装输送设备存在柔性化水平不高，承载能力不强等问题，为此，本课题组研制了一种以两组并联机构两边对称连接为主体设计的汽车涂装输送混联机构。针对该汽车涂装输送混联机构，为实现其高性能轨迹跟踪动力学控制，需解决汽车涂装输送混联机构系统存在建模误差、摩擦力以及外界干扰等不确定性问题。滑模控制对不确定因素具有不敏感性等优点，目前，针对汽车涂装输送混联机构的动力学滑模控制存在以下难点：(1)由于实际系统中不确定性信息的上界并不恒定且未知，导致滑模控制往往需要选择较高的切换增益以保证系统对不确定因素的鲁棒性而引起较大抖振现象；(2)已有结合非线性干扰观测器的滑模控制方法，需满足所观测不确定性一阶导数为零的限制条件，且其观测器设计需植入机构动力学逆模型，因此设计难度较大。为此，本文首先通过研究设计一种基于滑模变量信息的自适应切换增益滑模控制方法，其次，通过引入扩张状态观测器并设计实时调整观测器带宽增益的自适应律，进一步研究设计一种仅需不确定性一阶导数有界，并能够避免选取过高观测器带宽增益的输送混联机构结合自适应扩张状态观测器动力学滑模控制方法。本文完成的主要工作如下：　　(1)完成汽车涂装输送混联机构的运动学及动力学分析。根据混联机构位置结构特征进行运动学分析，并通过推导运动学逆解，得到混联机构的雅可比矩阵；采用Lagrange法对混联机构进行动力学分析及建模；通过MATLAB仿真验证所建模型的正确性。　　(2)提出一种汽车涂装输送混联机构基于滑模变量信息的自适应切换增益滑模控制方法。针对实际系统中由于不确定性信息的上界并不恒定且未知，导致滑模控制往往需要选择较高的切换增益以保证系统对不确定因素的鲁棒性而引起较大抖振问题，研究设计一种基于滑模变量信息的自适应切换增益滑模控制方法，该方法能够在无需已知不确定性上界信息情况下自适应调整滑模控制切换增益，以使输送混联机构系统具有对不确定因素的鲁棒性，同时削弱滑模控制抖振；完成其稳定性理论证明，与常规趋近律滑模控制方法进行MATLAB仿真实验对比，结果表明所提出控制方法的有效性。　　(3)进一步提出一种汽车涂装输送混联机构结合自适应扩张状态观测器动力学滑模控制方法。已有结合非线性干扰观测器的滑模控制方法，需满足所观测不确定性一阶导数为零的限制条件，且其观测器设计需植入机构动力学逆模型，因此设计难度较大。为此，通过引入扩张状态观测器并设计一种根据系统误差实时调整观测器带宽增益的自适应律，进一步研究设计一种仅需不确定性一阶导数有界，并能够避免选取过高观测器带宽增益的输送混联机构结合自适应扩张状态观测器动力学滑模控制方法，以实时估计并补偿系统不确定因素，降低滑模控制克服系统不确定因素的负担，进一步削弱滑模控制抖振，提升混联机构控制系统的鲁棒性；完成其稳定性理论证明，与结合定常值带宽增益扩张状态观测器的自适应切换增益滑模控制方法以及基于滑模变量信息的自适应切换增益滑模控制方法进行MATLAB仿真实验对比，结果表明所提出控制方法的有效性。　　(4)构建汽车涂装输送混联机构结合自适应扩张状态观测器动力学滑模控制系统实验平台，在样机实验平台上完成所提出控制方法与结合定常值带宽增益扩张状态观测器的自适应切换增益滑模控制方法以及基于滑模变量信息的自适应切换增益滑模控制方法的对比实验，实验结果进一步表明所提出汽车涂装输送混联机构结合自适应扩张状态观测器动力学滑模控制方法的优越性。
作者：	钟浚文
专业：	控制科学与工程
导师：	高国琴
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021