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原文传递基于时延估计模型的变负载混联机构自适应惯性增益滑模控制

论文题名：	基于时延估计模型的变负载混联机构自适应惯性增益滑模控制
关键词：	汽车电泳涂装输送设备;混联机构;滑模控制;时延估计;动力学
摘要：	现有电泳涂装输送设备多采用悬梁臂结构，为提升其负载能力和负载柔性，本课题组独创研制了一种新型汽车电泳涂装输送用混联机构。混联机构是具有刚性闭环约束的强耦合非线性被控对象，采用基于动力学模型的运动控制方法，能考虑机构动力学特性，其系统的非线性、耦合性可以通过设计控制器进行补偿，与基于运动学模型的运动控制方法相比，理论上能实现更好控制效果。为适应新型汽车电泳涂装输送用混联机构的负载柔性要求，本文着重研究采用动力学滑模控制方法实现变负载混联机构的高性能轨迹跟踪控制。混联机构的动力学滑模控制效果通常依赖其精确的动力学模型，而混联机构的刚性闭环结构与运动学约束导致建立其动力学模型较为复杂；并且运行过程中存在关节摩擦、外部干扰等不确定性因素。此外，实际生产中负载柔性要求下输送的车体负载参数是变化且未知的，也为系统不确定性因素，传统动力学建模方法难以建立能动态跟随系统参数变化、全面反映不确定混联机构动力学特性的动力学模型。为此，本文研究通过引入时延估计技术建立能实时在线反映其动力学特性的混联机构动力学模型，并提出基于时延估计模型的变负载混联机构自适应惯性增益滑模控制方法。本文完成的主要工作如下：　　(1)完成变负载汽车电泳涂装输送用混联机构的运动学分析和动力学分析。通过运动学分析，得到混联机构的运动学逆解、运动学正解以及雅可比矩阵；采用拉格朗日法建立变负载混联机构动力学模型，其变负载特性表征为动力学模型车体负载参数变化，为模型中的参数不确定项；通过引入时延估计技术实时在线估计混联机构非线性因素及系统集总不确定因素，建立能实时在线反映其动力学特性的混联机构时延估计动力学模型。　　(2)提出一种基于时延估计模型的混联机构固定惯性增益非奇异快速终端滑模控制方法。针对变负载混联机构，设计一种基于时延估计动力学模型的固定惯性增益非奇异快速终端滑模控制器，以保证控制系统的鲁棒性、快速收敛性和非奇异性；完成稳定性理论证明与MATLAB软件仿真，结果表明：当车体负载参数在一定范围变化时，通过选择合适的惯性增益，与基于时延估计模型的混联机构趋近律滑模控制相比，基于时延估计模型的混联机构固定惯性增益非奇异快速终端滑模控制系统在实现良好轨迹跟踪稳态性能的同时具有更快收敛速度。　　(3)进一步提出一种基于时延估计模型的混联机构自适应惯性增益滑模控制方法。为进一步提升混联机构负载能力和负载柔性，针对基于时延估计模型的混联机构固定惯性增益非奇异快速终端滑模控制方法在混联机构负载大范围变化时存在系统稳定性降低、控制精度下降的问题，通过时延估计误差收敛条件理论分析混联机构车体负载参数大范围变化对系统稳定性的影响，设计随滑动变量与滑动变量导数自适应调节惯性增益的自适应律，提出一种基于时延估计模型的混联机构自适应惯性增益滑模控制方法；完成稳定性理论证明与MATLAB软件仿真，结果表明：当混联机构负载大范围变化时，与基于时延估计模型的混联机构固定惯性增益非奇异快速终端滑模控制相比，所提出的基于时延估计模型的混联机构自适应惯性增益滑模控制方法能保持良好的轨迹跟踪稳态性能与收敛速度。　　(4)构建变负载混联机构基于时延估计模型的自适应惯性增益滑模控制系统实验平台，并进行样机实验验证。选用“上位机+下位机”的分布式结构，完成控制系统的硬件设计与软件开发，在此基础上，完成基于时延估计模型的混联机构自适应惯性增益滑模控制和基于时延估计模型的混联机构固定惯性增益非奇异快速终端滑模控制的对比实验，以进一步验证所提出方法的有效性。
作者：	蒋毅躜
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：	2022