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原文传递喷砂除锈并联机构无模型自适应实数幂非奇异终端滑模控制

论文题名：	喷砂除锈并联机构无模型自适应实数幂非奇异终端滑模控制
关键词：	桥梁钢箱梁;喷砂除锈;并联机构;实数幂非奇异终端;自适应滑模控制
摘要：	近年来中国大跨径钢结构桥梁应用十分广泛。桥梁钢箱梁的喷砂除锈效果直接影响后续防腐涂装质量，进而影响桥梁使用寿命。针对现有半自动化喷砂除锈设备工作效率较低，爬壁式机器人承载能力较弱以及壁挂式机器人可移动性较差的问题，自主研制了一种基于Stewart并联机构的喷砂除锈并联机器人，可实现钢砂地面任意移动，自由升降、六自由度位姿精准操作等功能，具有刚度高、承载能力强、可移动性好等优点。喷砂除锈并联机器人是一种多输入、多输出的复杂非线性系统，不仅存在建模误差、摩擦力和外界干扰等并联机器人固有的不确定性问题，在喷砂除锈过程中还存在突变的库伦摩擦力和喷砂射流反作用力等不确定性问题。基于时延估计技术建立喷砂除锈并联机构动力学模型，能够实时反映其动力学特性，且基于时延估计模型的无模型动力学控制方法，相对于基于传统动力学模型的控制方法具有结构简单，易于实现的优点。但并联机构突变的库伦摩擦力会引起脉冲型时延误差，考虑到非奇异终端滑模控制可以实现有限时间收敛，相对于渐近收敛的线性滑模控制方法能使系统对脉冲型时延误差具有更好的鲁棒性，本文以喷砂除锈并联机构为研究对象，着重研究采用无模型非奇异终端滑模控制方法以提高喷砂除锈并联机构系统克服不确定性的鲁棒性能。但是，现有无模型非奇异终端滑模控制方法在解决喷砂除锈并联机构不确定性问题时还存在一些难点，主要包括非奇异终端滑模面指数幂项是分数指数幂，限制了滑模面参数的取值范围，此外，由于脉冲型时延误差等的系统不确定性上界信息未知，通常需保守选取过大切换增益，因此易带来控制抖振问题，甚至破坏系统的稳定性。为此，本文通过设计实数幂非奇异终端滑模面放宽滑模面参数的取值范围，在此基础上，研究提出一种在存在脉冲型时延误差时可快速调节切换增益的无模型自适应实数幂非奇异终端滑模控制方法，以提高喷砂除锈并联机构系统克服不确定性的鲁棒性，同时削弱滑模控制抖振。本文完成的主要工作如下：　　（1）完成喷砂除锈并联机构的运动学分析和动力学分析。通过建立其运动学反解方程，求解雅可比矩阵；采用Lagrange法建立喷砂除锈并联机构动力学模型，作为仿真时被控对象的数学模型，引入时延估计技术在线估计喷砂除锈并联机构非线性因素及不确定项，以能实时获取其动力学模型。　　（2）提出一种喷砂除锈并联机构无模型实数幂非奇异终端滑模控制方法。针对非奇异终端滑模面参数取值受限问题，设计一种实数幂非奇异终端滑模面，在保证系统快速收敛性的同时，放宽滑模面参数的取值范围。完成稳定性理论证明并通过MATLAB仿真分析验证，结果表明：与无模型线性滑模控制方法相比，所提出无模型实数幂非奇异终端滑模控制方法能使系统具有更高的轨迹跟踪精度和更快的收敛速度。　　（3）进一步提出一种喷砂除锈并联机构无模型自适应实数幂非奇异终端滑模控制方法。针对喷砂除锈并联机构无模型实数幂非奇异终端滑模控制方法因脉冲型时延误差等不确定性上界信息未知而需过估选取过大切换增益问题，设计基于滑模变量实时快速调节切换增益的自适应律，并进一步提出一种喷砂除锈并联机构无模型自适应实数幂非奇异终端滑模控制方法，在保证系统鲁棒性的同时，能有效削弱滑模控制抖振。完成稳定性理论证明并通过MATLAB仿真分析验证，结果表明：相比于无模型实数幂非奇异终端滑模控制方法，所提出的控制方法具有更好的轨迹跟踪性能且能有效削弱滑模控制抖振。　　（4）基于“上位机(IPC-610L)+下位机(CK3M)”分布式计算机控制系统，构建喷砂除锈并联机构无模型自适应实数幂非奇异终端滑模控制系统实验平台，完成硬件选型和软件开发，在此基础上，完成本文所提出方法与无自适应无模型实数幂非奇异终端滑模控制的对比实验，实验结果进一步验证了所提出方法的有效性和优越性。
作者：	石铭杰
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