一种混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法。首先，针对混联式汽车电泳涂装输送机构，结合全局滑模设计滑模面以消除超螺旋滑模控制趋近阶段；其次，设计一种在时变不确定性上界信息未知条件下能够确保控制系统鲁棒性、并同时调整滑模切换增益变化方向和变化速度以快速获取尽可能小的自适应律，最后，将经雅可比矩阵转换得到的控制量发送至电机驱动器，实现混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制。本发明专利技术在时变不确定性上界信息未知情况下能够确保滑模控制系统的鲁棒性并有效削弱滑模控制抖振，最终实现混联式汽车电泳涂装输送机构的高性能跟踪控制。

【技术实现步骤摘要】
一种混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法
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低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法。
技术介绍
混联式汽车电泳涂装输送机构将串、并联机构合理结合，兼具串联机构运动灵活、工作空间大以及并联机构承载能力强、柔性化水平高的优点，可解决现有电泳涂装输送设备因采用悬臂梁串联结构而存在的承受重载荷能力较差、柔性化水平不高等问题。但混联式汽车电泳涂装输送机构具有高度非线性和强耦合性，难以建立精确的动力学模型，且在机构实际运行过程中存在摩擦力以及外界干扰等不确定性问题。这些不确定因素易导致混联式汽车电泳涂装输送机构各关节运动不精确，严重时甚至导致整个系统的不稳定。“新型混联式输送机构的全局快速终端滑模控制”(曹园园，高国琴，信息技术，2016年，第4期，第5-9页)一文中针对混联式汽车电泳涂装输送机构，通过改进滑模面设计了一种全局快速终端滑模控制方法。但文中仍存在滑模控制趋近阶段，在此阶段滑模控制不具有鲁棒性。“混联式汽车电泳涂装输送机构的时延估计自适应滑模控制”(高国琴，周辉辉，方志明，汽车工程，2018年，第40卷，第12期，第1405-1412页)一文中针对混联式汽车电泳涂装输送机构设计了一种时延估计自适应滑模控制方法。文中根据滑模变量设计自适应律，然而滑模变量无法较准确的反应控制系统中不确定性的上界信息，故滑模控制系统中仍存在切换增益过高选取问题。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术针对混联式汽车电泳涂装输送机构，提出一种低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法。该方法在时变不确定性上界信息未知条件下，首先结合全局滑模设计滑模面，然后针对输送机构无趋近阶段的超螺旋滑模控制切换增益设计一种在时变不确定性上界信息未知条件下能够确保控制系统鲁棒性、并同时调整滑模控制切换增益和切换加速度的自适应律，最后得到低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制器，以在时变不确定性上界信息未知情况下确保滑模控制系统的鲁棒性并有效削弱滑模控制抖振。本专利技术的技术方案为：一种混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法，包括如下步骤：1)采用解析法对混联式汽车电泳涂装输送机构进行运动学逆解分析，进一步求得输送机构的运动学正解及雅可比矩阵；2)采用拉格朗日法建立输送机构标准动力学模型及包含建模误差、摩擦力及外界干扰等不确定性的动力学模型；3)针对步骤2)中的输送机构标准动力学模型，结合全局滑模设计一种无趋近阶段的超螺旋滑模控制器；4)基于步骤2)中包含不确定性的输送机构动力学模型重构超螺旋滑模，并结合等效控制求得输送机构控制系统中时变不确定性的等效值。5)针对步骤3)输送机构无趋近阶段的超螺旋滑模控制切换增益，基于步骤4)得到的输送机构控制系统时变不确定性等效值设计一种自适应律，以在确保滑模控制系统鲁棒性的同时快速获取尽可能小的切换增益；6)基于步骤3)和步骤5)构成针对考虑不确定性的输送机构的低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制器；7)通过软件编程，实现混联式汽车电泳涂装输送机构的低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制。进一步，所述步骤3)中，结合全局滑模所设计的滑模面s＝[s1，s2]T为s＝w(t)-e-λtw(0)(1)式中，λ＝diag(λ1，λ2)为正的可调参数；其中，B＝diag(b1，b2)，b1和b2可调且满霍尔伍兹稳定性条件；w(0)为初始时刻w的值；e＝qd-q和分别为输送机构末端位姿误差向量和速度误差向量，qd和q分别为输送机构末端期望位姿向量和实际位姿向量，和分别为输送机构末端期望速度向量和实际速度向量；设计的无趋近阶段超螺旋滑模控制律为式中，τ为输送机构末端控制力矩向量(单位为N.m)；M(q)为惯性矩阵；为哥氏力和离心力项；G(q)为重力项；和分别为输送机构末端实际和期望加速度向量；定义符号α＝diag(a1，a2)和η＝diag(η1，η2)为滑模切换增益。进一步，所述步骤4)中，重构的包含不确定性的超螺旋滑模为式中，为附加项且定义为增益L＝[L1，L2]T与滑模切换增益α、η间满足：和η(t)＝L(t)η0，其中，α0＝diag(α01，α02)和η0＝diag(η01，η02)均为正的可调参数；f(t)为不确定项，满足其中，为输送机构不确定性动力学模型中的集总扰动项的导数；引入等效控制概念，则由式(3)不确定项f(t)可表示为f(t)＝η(t)sgn(s)|eq(4)令且该等效值可通过低通滤波器实时求得式中，为等效值对时间的导数；τ介于采样时间和1之间，且其值越小，不确定项f(t)等效值估计越准确。进一步，所述步骤5)中，所设计的超螺旋滑模控制切换增益对时变增益L(t)的自适应律为式中，变量δ(t)＝diag(δ1(t)，δ2(t))且定义为a＝diag(a1，a2)为正的可调参数，满足0＜aiη0i＜1，εi＞0足够小；r(t)＝[r1(t)，r2(t)]T；l0、r0和γ＝diag(γ1，γ2)均为正的可调参数，为等效值。进一步，所述步骤6)中针对考虑不确定性的输送机构，在无趋近阶段超螺旋滑模控制律τ的基础上，结合所设计滑模切换增益α和η的对增益L(t)的自适应律，构成如下低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制器为本专利技术首次提出一种混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法，应用于实现混联式汽车电泳涂装输送机构的运动控制，其特点和有益效果是：1、结合全局滑模设计滑模面，消除超螺旋滑模趋近阶段，从而解决输送机构动力学滑模控制趋近阶段不具有鲁棒性的问题并满足等效控制条件；2、基于包含不确定性的输送机构动力学模型重构超螺旋滑模，同时，结合等效控制概念，可实时求得控制系统中不确定性的等效值，从而克服实际系统中时变不确定性上界信息未知问题；3、针对输送机构无趋近阶段的超螺旋滑模控制切换增益，基于实时获得的输送机构控制系统不确定性的等效值设计一种自适应律，可同时调整滑模控制切换增益和切换加速度，在确保动力学滑模控制滑动阶段鲁棒性的同时，实现低切换增益的快速自适应，以获得尽可能小的滑模控制切换增益，从而最大限度地抑制滑模控制系统中的抖振问题，提高输送机构的轨迹跟踪性能。附图说明图1是混联式汽车电泳涂装输送机构结构图。图2是低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制系统原理图。图3是升降翻转机构结构简图。图4是混联式汽车电泳涂装输送机构控制系统总体结构图。图5是输送机构末端运动位姿各分量期望运动位姿及实际运动位姿图。(a)为连接杆中点在z方向上的位姿分量轨迹跟踪曲线图；(b)为连接杆中点绕y轴逆时针方向运动的轨迹跟踪曲线图。图6是输送机构末端运动位姿各分量轨迹跟踪误差图。(a)为连接杆中点在z方向上的位姿分量轨迹跟踪误差图；(b)为连接杆中点绕y轴逆时针方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)采用解析法对混联式汽车电泳涂装输送机构进行运动学逆解分析，进一步求得输送机构的运动学正解及雅可比矩阵；/n2)采用拉格朗日法建立输送机构标准动力学模型及包含建模误差、摩擦力及外界干扰等不确定性的动力学模型；/n3)针对步骤2)中的输送机构标准动力学模型，结合全局滑模设计一种无趋近阶段的超螺旋滑模控制器；/n4)基于步骤2)中包含不确定性的输送机构动力学模型重构超螺旋滑模，并结合等效控制求得输送机构控制系统中时变不确定性的等效值。/n5)针对步骤3)输送机构无趋近阶段的超螺旋滑模控制切换增益，基于步骤4)得到的输送机构控制系统时变不确定性等效值设计一种自适应律，以在确保滑模控制系统鲁棒性的同时快速获取尽可能小的切换增益；/n6)基于步骤3)和步骤5)构成针对考虑不确定性的输送机构的低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制器；/n7)通过软件编程，实现混联式汽车电泳涂装输送机构的低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种混联式汽车电泳涂装输送机构低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用解析法对混联式汽车电泳涂装输送机构进行运动学逆解分析，进一步求得输送机构的运动学正解及雅可比矩阵；
2)采用拉格朗日法建立输送机构标准动力学模型及包含建模误差、摩擦力及外界干扰等不确定性的动力学模型；
3)针对步骤2)中的输送机构标准动力学模型，结合全局滑模设计一种无趋近阶段的超螺旋滑模控制器；
4)基于步骤2)中包含不确定性的输送机构动力学模型重构超螺旋滑模，并结合等效控制求得输送机构控制系统中时变不确定性的等效值。
5)针对步骤3)输送机构无趋近阶段的超螺旋滑模控制切换增益，基于步骤4)得到的输送机构控制系统时变不确定性等效值设计一种自适应律，以在确保滑模控制系统鲁棒性的同时快速获取尽可能小的切换增益；
6)基于步骤3)和步骤5)构成针对考虑不确定性的输送机构的低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制器；
7)通过软件编程，实现混联式汽车电泳涂装输送机构的低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制。


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低切换增益鲁棒超螺旋滑模控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，结合全局滑模所设计的滑模面s＝[s1，s2]T为
s＝w(t)-e-λtw(0)(1)
式中，λ＝diag(λ1，λ2)为正的可调参数；其中，B＝diag(b1，b2)，b1和b2可调且满霍尔伍兹稳定性条件；w(0)为初始时刻w的值；e＝qd-q和分别为输送机构末端位姿误差向量和速度误差向量，qd和q分别为输送机构末端期望位姿向量和实际位姿向量，和分别为输送机构末端期望速度向量和实际速度向量；
设计的无趋近阶段超螺旋滑模控制律为



式中，τ为输送机构末端控制力矩向量(单位为N.m)；M(q)为惯性矩阵；为哥氏力和离心力项；G(q)为重力项；和分...

【专利技术属性】
技术研发人员：高国琴，张松云，叶梦阳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32