一种混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法技术

本发明专利技术公开了一种新型混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法，先以该混联式汽车电泳涂装输送机构为被控对象，建立输送机构在笛卡尔空间内的动力学模型，并根据输送机构的控制要求，采用分布式结构建立输送机构的同步协调控制硬件系统，再针对该输送机构升降翻转机构的结构特点及其运动特点，提出一种新型同步误差，将该新型同步误差与滑模控制相结合，进一步设计一种基于滑模控制的动力学同步协调控制律，最后，通过VC++进行软件编程，实现该混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制，本发明专利技术不仅能使系统具有较高的跟踪精度和较快的响应速度，而且能实现各关节及两边机构问的同步，从而提高了输送机构的同步协调运动控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法
本专利技术涉及汽车电泳涂装
，尤其涉及一种混联式汽车电泳涂装输送机构同步协调控制方法。
技术介绍
针对一种混联式汽车电泳涂装输送机构，见图1，该机构存在多个执行机构，各执行机构间的同步协调性直接影响系统的整体性能。文献《平面二自由度冗余并联机器人同步控制》(米建伟等，机械科学与技术.2011年2月，第30卷第2期，第279-282+285页)将交叉耦合控制技术与PD控制技术相结合得到同步控制方案，并用该方法实现对平面二自由度冗余并联机器人的运动控制，其特点是：采用同步误差，抑制因取常数矩阵带来的模型不确定性对系统的影响，并保证各个控制关节同步。文献《机器人灵巧手基关节交叉耦合同步控制》(兰天等，机器人。2010年3月，第32卷第2期，第150-156+165页)提出了包含同步误差和位置反馈项及平滑鲁棒非线性反馈补偿项的交叉耦合同步控制策略，并将该方案用于DLR/HITⅡ五指机器人灵巧手手指基关节的运动控制，以实现两驱动电机间的同步协调运动。但上述相关控制技术，都是将交叉耦合控制技术与传统PD控制技术相结合，它们均需要系统精确的模型信息且全部状态可测，由于混联式汽车电泳涂装输送机构是一个具有强耦合性、非线性动态和参数不确定特征的多输入多输出系统，其动力学参数难以准确获取，如质心位置以及随机构运动而变化的惯性力矩等，若采用上述技术，将难以获得较好的控制效果；此外，上述相关控制技术所提出的同步误差都是基于常规同步误差定义，在混联式汽车电泳涂装输送机构中，两组并联式升降翻转机构间通过连接杆相连，连接杆上安放车体固定架及车身，若采用传统常规同步误差的设定方式，将只能考虑两边机构中主动关节间的同步误差，连接杆两端的同步误差将不可消除。因此上述方法不适用于本专利技术涉及的混联式汽车电泳涂装输送机构，或应用于该输送机构后难以获得较好的控制效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提出一种同步误差，并在此基础上，提出一种基于滑模控制的动力学同步协调控制方法，该方法既考虑了主动关节之间的同步误差，又考虑了机构连接杆两端的同步误差，同时将交叉耦合控制技术与滑模控制技术相结合，不仅能实现输送机构各主动关节间以及两边机构间的同步控制，提高混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调性，而且能在不需要系统精确模型和系统全部状态的情况下有效解决混联式汽车电泳涂装输送机构控制系统存在的不确定性问题。一种混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法，包括如下步骤：1)以混联式汽车电泳涂装输送机构为被控对象，以被输送汽车车身为负载，采用解析法对输送机构进行运动学逆解，求得机构的雅克比矩阵；2)采用拉格朗日法建立输送机构在笛卡尔空间内的动力学模型；3)采用分布式结构建立输送机构同步协调控制硬件系统；4)针对混联式汽车电泳涂装输送机构升降翻转机构的结构特点及其运动特点，提出一种同步误差；5)将同步误差与滑模控制相结合，设计一种基于滑模控制的动力学同步协调控制律；6)通过VC++进行软件编程，实现混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制。进一步，所述步骤1)中，采用基于符号运算的微分变换法求解升降翻转机构的雅克比矩阵，得：式中，J为雅克比矩阵；z为连接杆中点在静坐标系下的z轴位置单位为m；L1为第一连杆的长度；r2、r1分别为主动轮半径和从动轮半径。进一步，所述步骤2)中，采用拉格朗日法求得输送机构在笛卡尔空间内的动力学模型为：式中，q＝(z,β)T是输出位姿向量；是输出速度向量；是输出加速度向量；M(q)为惯性矩阵；为哥氏力和离心力项；G(q)为重力项；D(t)为摩擦力项，单位为N；F(t)为外界干扰项，单位为N。进一步，所述步骤3)的输送机构同步协调控制硬件系统，以UMAC多轴运动控制器为核心控制单元，UMAC的CPU板TURBOPAMC2CPU模块通过以太网网口协议实现与上位机IPC的人机交互界面通讯，UMAC多轴运动控制器轴通道扩展卡ACC-24E2A与底层伺服驱动器通过差分形式进行通讯。进一步，所述步骤4)中提出一种同步误差为：式中，是z方向上的同步误差，单位为m，是绕y轴逆时针转动的同步误差，单位为rad；λ是对角正定耦合参数矩阵；e(t)＝(ez(t),eβ(t))T为连接杆中点的位置误差，ez(t)为连接杆中点在z方向的位置误差，单位为m，eβ(t)为连接杆中点绕y轴逆时针转动角度的误差，单位为rad；ε(t)＝(εz(t),εβ(t))T为连接杆两端的同步误差，εz(t)是在z方向上的同步误差，单位为m，εβ(t)为绕y轴方向逆时针转动的角度的同步误差，单位为rad。进一步，所述步骤5)中将同步误差与滑模控制相结合，首先设计滑模面为：设计基于滑模控制的动力学同步协调控制律为:通过上式确定各主动关节所需的驱动力或驱动力矩；式中：是z方向上的同步误差，单位为m，是绕y轴逆时针转动的同步误差，单位为rad；J为雅克比矩阵；M(q)为惯性矩阵；为哥氏力和离心力项；G(q)为重力项；D(t)为摩擦力项，单位为N；F(t)为外界干扰项，单位为N；τ为主动关节所需的驱动力，单位为N；B＝diag(b1,b2)，且B可逆，b1,b2均为可调参数并满足霍尔伍兹稳定条件；为连接杆两端的速度同步误差，是在z方向上的速度同步误差，单位为m/s，为绕y轴方向逆时针转动的角度的同步速度误差，单位为rad/s；K＝diag(k1,k2…ki)，ki＞0，常数矩阵K表示系统的运动点趋近切换面S＝0的速率；sgn(S)为符号函数；为连接杆中点的期望加速度，为z方向的加速度，单位为m/s2，为绕y轴逆时针转动角度的加速度，单位为rad/m2；为连接杆中点的实际速度本专利技术首次基于动力学模型，将滑模控制技术与交叉耦合控制技术相结合，并提出了一种同步误差，在此基础上，设计了一种基于滑模控制的动力学同步协调控制律，可实现对混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调运动控制，其特点和有益效果是：1、由于基于动力学模型进行同步协调控制器的设计，充分考虑了混联式汽车电泳涂装输送机构的动力学特性，因此具有更好的控制性能。2、在常规同步误差的基础上，结合误差传递函数的概念，设立了一种同步误差，不仅充分考虑了主动关节之间的同步误差，同时考虑了连接杆两端的同步误差，提高了输送机构的同步性能。3、通过将滑模控制技术与交叉耦合控制技术相结合，不仅由于引入交叉耦合控制技术，充分考虑了在机构控制过程中各执行机构间的耦合关系，因此既实现了机构的稳定跟踪控制，同时又实现了各主动关节以及两边机构的同步运动，从而提高了机构的同步协调运动控制性能，而且由于滑模控制技术的采用，有效解决了系统存在的不确定性问题，削弱了升降翻转执行机构快变动力学特性对系统控制性能的不利影响，因此能进一步提高机构的控制性能。附图说明以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是混联式汽车电泳涂装输送机构。图2是图1中升降翻转机构的结构简图。图3是混联式汽车电泳涂装输送机构硬件系统。图4是图1中连接杆中点运动位姿各分量的期望运动和实际运动轨迹图，其中：图4a是连接杆中点在z方向上的位姿分量轨迹跟踪曲线图，图4b是连接杆中点在绕y轴逆时针方向运动的轨迹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)以混联式汽车电泳涂装输送机构为被控对象，以被输送汽车车身为负载，采用解析法对输送机构进行运动学逆解，求得机构的雅克比矩阵；2)采用拉格朗日法建立输送机构在笛卡尔空间内的动力学模型；3)采用分布式结构建立输送机构同步协调控制硬件系统；4)针对混联式汽车电泳涂装输送机构升降翻转机构的结构特点及其运动特点，提出一种新型同步误差；5)将新型同步误差与滑模控制相结合，设计一种基于滑模控制的动力学同步协调控制律；6)通过VC++进行软件编程，实现混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制。

【技术特征摘要】
1.一种混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)以混联式汽车电泳涂装输送机构为被控对象，以被输送汽车车身为负载，采用解析法对输送机构进行运动学逆解，求得机构的雅克比矩阵；2)采用拉格朗日法建立输送机构在笛卡尔空间内的动力学模型；3)采用分布式结构建立输送机构同步协调控制硬件系统；4)针对混联式汽车电泳涂装输送机构升降翻转机构的结构特点及其运动特点，提出一种同步误差；所述步骤4)中提出一种同步误差为：式中，是z方向上的同步误差，单位为m，是绕y轴逆时针转动的同步误差，单位为rad；λ是对角正定耦合参数矩阵；e(t)＝(ez(t),eβ(t))T为连接杆中点的位置误差，ez(t)为连接杆中点在z方向的位置误差，单位为m，eβ(t)为连接杆中点绕y轴逆时针转动角度的误差，单位为rad；ε(t)＝(εz(t),εβ(t))T为连接杆两端的同步误差，εz(t)是在z方向上的同步误差，单位为m，εβ(t)为绕y轴方向逆时针转动的角度的同步误差，单位为rad；5)将同步误差与滑模控制相结合，设计一种基于滑模控制的动力学同步协调控制律；6)通过VC++进行软件编程，实现混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制。2.根据权利要求1所述的一种混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用基于符号运算的微分变换法求解升降翻转机构的雅克比矩阵，得：式中，J为雅克比矩阵；z为连接杆中点在静坐标系下的z轴位置单位为m；L1为第一连杆的长度；r2、r1分别为主动轮半径和从动轮半径。3.根据权利要求1所述的一种混联式汽车电泳涂装输送机构的同步协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用拉格朗日法求得输送机构在笛卡尔空间内的动力学模型为：式中，q＝(z,β)T是输出位姿向量；是输出速度向量；是输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：高国琴，吴欣桐，方志明，牛雪梅，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32