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原文传递混联式输送机构的计算机控制系统构建及考虑执行器饱和的控制研究

论文题名：	混联式输送机构的计算机控制系统构建及考虑执行器饱和的控制研究
关键词：	混联机构;计算机控制;执行器;滑模控制器;运动学模型;汽车电泳涂装;输送系统
摘要：	现有汽车电泳涂装输送系统多为悬臂梁结构，承受重载荷、大载荷的能力较差，柔性化水平不高。本课题组在国家自然科学基金项目(51375210)的资助下，利用混联机构具有高刚度、高承载、动态特性好、易于实现多自由度、多模式运动的特点，研制了一种结构简单、承载能力强、柔性化水平高、车型适用范围广的新型混联式汽车电泳涂装输送机构。　　针对本课题组所研制的混联式输送机构，在构建其计算机控制系统时，考虑到混联式输送机构控制系统采用基于动力学模型的控制算法，对控制系统的数据处理和实时控制能力要求较高，为此，本文研究采用“上位机(个人计算机)+下位机(UMAC多轴运动控制器)”的分布式控制方式构建混联式输送机构计算机控制系统。其中，上位机通过以太网与UMAC进行通讯，完成系统初始化、参数管理、代码编译及机构运行状态实时监控等任务；下位机为UMAC多轴运动控制器，完成插补运算、多轴运动控制等实时性任务。该控制方式既充分利用了上位机的输入、显示等功能，又发挥了UMAC稳定性高、实时性强等特性。　　对于一个实际工程系统，执行器的输出存在限幅，当系统控制输出量超出执行器输出的上下限时，执行器就会发生输出饱和现象。执行器饱和特性的存在会降低系统的控制性能，因此针对执行器存在饱和特性的问题，本文设计一种执行器饱和补偿系统以消除执行器饱和特性对控制系统的影响。然后，将执行器饱和补偿系统与滑模控制相结合，针对混联式输送机构设计一种考虑执行器饱和的滑模控制器，以实现混联式输送机构的高性能控制。本文的研究不仅具有一定的理论价值，而且具有一定的工程实用价值。　　本文主要研究内容及成果包括：　　(1)针对新型混联式输送机构，研究采用“上位机(个人计算机)+下位机(UMAC多轴运动控制器)”的分布式结构构建混联式输送机构控制系统硬件平台。　　(2)基于所构建的硬件平台，研究设计混联式输送机构控制系统软件。　　(3)针对新型混联式输送机构，以被输送汽车车身为负载，对输送机构进行运动学分析，并求得该机构的速度雅克比矩阵。然后，在运动学分析的基础上，研究采用拉格朗日法建立混联式输送机构在笛卡尔空间的动力学模型，并进一步求得混联式输送机构在关节空间的动力学模型。最后，利用MATLAB软件对所建立的运动学模型、动力学模型分别进行仿真。仿真结果验证了所建立运动学模型和动力学模型的正确性。　　(4)针对因控制器输出控制量过大而造成执行器饱和的问题，设计一种执行器饱和补偿系统，以消除执行器饱和特性对控制系统的影响；然后，将执行器饱和补偿系统与滑模控制相结合，针对混联式输送机构设计一种考虑执行器饱和的滑模控制器；最后利用MATLAB软件进行仿真，仿真结果表明采用考虑执行器饱和的滑模控制器具有较好的跟踪性能，且能有效解决实际工程系统中存在的执行器饱和特性问题。　　(5)基于所构建的混联式输送机构计算机控制系统实验平台，开展了混联式输送机构运动控制实验。实验结果进一步验证了本文所设计考虑执行器饱和的滑模控制器的正确性和有效性。
作者：	曹祥
专业：	控制理论与控制工程
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：	2016
正文语种：	中文