混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的復合動力學控制系統與方法與流程

本發明涉及一種新型混聯式汽車電泳涂裝輸送系統，尤其涉及其輸送機構的控制系統與方法。

背景技術：
為克服現有汽車電泳涂裝輸送設備采用懸臂梁機構的缺陷，專利《一種汽車涂裝輸送機及其用途》(劉辛軍、謝福貴、陳祥，CN201210014948.3)提出了基于混聯機構的新型汽車電泳涂裝輸送系統如圖1所示，以結合串、并聯機構的優點，提高汽車電泳涂裝輸送性能。混聯機構的運動控制方法主要可分為運動學控制方法與動力學控制方法。相較于運動學控制方法，動力學控制方法由于考慮了機構運動過程中的非線性動力學特性和力耦合特性，因此理論上可實現更高的控制精度和更好的控制效果。但基于動力學模型的控制方法依賴于被控機構的動力學模型，其控制效果依賴于動力學模型的準確性。對于基于混聯機構的新型汽車電泳涂裝輸送系統，由于含有并聯機構，其閉鏈結構和運動學約束通常使其動力學模型較為復雜，另外，汽車電泳涂裝輸送系統實際運行時常常存在不可測外界擾動等，因此，建立其精確的動力學模型往往比較困難，其模型誤差不可避免地存在，且直接基于逆動力學模型設計控制器的計算量較大，難以滿足實時控制的要求。文獻《基于RBF神經網絡優化切換增益的并聯機器人滑模控制》(高國琴等，第三十一屆中國控制會議論文集.2012年7月，第975-980頁)以一種基于RBF神經網絡優化切換增益的滑模控制方法實現對二自由度冗余并聯機器人的運動控制，但該方法本質上屬于運動學控制方法。本發明涉及的新型混聯式汽車電泳涂裝輸送機構為一個具有高度非線性與耦合性的多輸入多輸出系統，采用運動學控制方法難以實現高性能控制，因而該方法不適用于新型汽車電泳涂裝輸送機構。傳統的動力學控制方法如比例微分(PD)控制一股不能有效地解決非線性系統模型誤差和外界擾動問題。神經網絡動力學控制具有學習與適應不確定系統的動態特性，能以任意精度逼近任意復雜的非線性映射以及不需要被控對象精確數學模型，且可避免復雜的逆動力學計算等特點，但若以神經網絡擔負全部的控制器任務，則對神經網絡初始權值的設置提出了較高的要求，且難于根據所能測量的量來調整神經網絡的連接權，因此實際也難以獲得較好的控制效果。文獻《基于PID神經網絡的非線性動態系統控制》(曹海云等，控制工程第14卷增刊，2007年5月，第38-40頁)結合PID控制與神經網絡控制實現對非線性動態系統的控制。該控制方法與其他神經網絡控制方法相比，主要的優點是，能夠適用于非線性控制系統，并能夠提高系統的收斂速度。但在該方法中，神經網絡初始權值為隨機選擇值且采用在線調整，若初始權值選擇不當，則在線調整需要較長時間，控制起始時會出現較大震蕩。

技術實現要素：
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提出一種將神經網絡控制、PD控制與滑模控制相結合的復合動力學控制方法，該控制方法針對本課題組新研制的混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的結構特點以及汽車電泳涂裝輸送的工藝要求，通過神經網絡的前饋控制，實現混聯機構的逆動力學特性，同時通過PD控制實現反饋控制，并通過滑模控制增強系統對模型誤差和外界干擾的魯棒性。由于具有神經網絡的逆動力學前饋控制，無需PD滑模控制擔負全部的控制任務，因此其滑模控制分量無需以較大的切換增益保證滑模運動的存在及其魯棒性，從而可有效抑制滑模控制抖振，避免對執行機構的不利影響，實現對汽車電泳涂裝輸送用新型混聯機構的高性能控制。本發明采用的技術方案是采用如下步驟：1)采用解析法對機構進行運動學逆解分析，進一步求得機構的運動學正解和雅克比矩陣；2)采用分布式結構建立機構控制系統；3)以混聯式汽車電泳涂裝輸送機構為被控對象，采用拉格朗日法建立帶有摩擦力及外部干擾項的混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的數學模型；4)根據混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的運動要求，確定在實現輸送機構期望運動過程中輸送機構連接桿中點的期望運動軌跡；5)利用絕對編碼器檢測混聯式汽車電泳涂裝輸送機構各支路驅動電動機的實際運動狀態，由該實際運動狀態，基于輸送機構運動學正解，計算得到該輸送機構連接桿中點實際運動位姿，并進一步計算得到該輸送機構連接桿中點期望位姿與實際位姿的偏差；6)設計PD滑模神經網絡復合動力學控制律，據此計算出混聯式汽車電泳涂裝輸送機構各主動關節驅動控制量；7)將各主動關節驅動控制量發送給各電機驅動器，驅動混聯式汽車電泳涂裝輸送機構實現期望運動。本發明首次將神經網絡控制技術與PD控制及滑模控制相結合，實現對混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的動力學控制，其特點和有益效果是：1)由于采用神經網絡實現混聯機構的逆動力學控制，因此可避免復雜的逆動力學計算從而能有效提高動力學控制系統實時性。2)由于在采用神經網絡實現混聯機構逆動力學控制的基礎上，增加了PD反饋控制與滑模控制，因此可克服以神經網絡擔負全部控制器任務存在的缺點，即可克服難以對神經網絡初始權值進行設置，且難以根據可測量量調整神經網絡連接權的缺點。3)由于在神經網絡前饋控制的基礎上進一步結合了PD滑模控制技術，因此不僅可增強輸送機構控制系統對外界擾動和模型誤差的魯棒性，而且與單獨采用PD滑模控制的方法相比，其抖振較小，能夠更好地適用于實際工程。綜上，本發明所提出混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的復合動力學控制方法，不僅使系統具有較好的跟蹤性能，而且由于具有神經網絡的前饋控制，與單獨采用PD滑模控制的方法相比，有效解決了滑模控制存在的抖振問題，可避免抖振對執行機構的不利影響，使得混聯式汽車電泳涂裝輸送機構控制系統呈現良好的控制性能。附圖說明以下結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。圖1是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構結構簡圖。圖2是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構復合動力學控制方法原理示意圖。圖3是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構運動學簡圖。圖4是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構控制系統框圖。圖5是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點位姿各分量的軌跡跟蹤曲線圖；其中：圖5a是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點在x方向上的軌跡跟蹤曲線；圖5b是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點在z方向上的軌跡跟蹤曲線；圖5c是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點的β軌跡跟蹤曲線。圖6是混聯式汽車電泳涂裝輸送機構分別在PD滑模神經網絡復合動力學控制和PD滑模控制兩種不同控制器作用下的滑模控制分量曲線圖；其中：圖6a1為PD滑模控制器作用下第一驅動器的滑模控制分量；圖6a2為PD滑模神經網絡控制器作用下第一驅動器的滑模控制分量；圖6b1為PD滑模控制器作用下第二驅動器的滑模控制分量；圖6b2為PD滑模神經網絡控制器作用下第二驅動器的滑模控制分量；圖6c1為PD滑模控制器作用下第三驅動器的滑模控制分量；圖6c2為PD滑模神經網絡控制器作用下第三驅動器的滑模控制分量。圖中：1-第一驅動器、2-第一減速器、3-第一導軌、4-第一絲杠、5-第一滑塊、6-第一轉動副、7-第一絲杠座，8-第二驅動器、9-第二減速器、10-第二導軌、11-第二絲杠、12-第二滑塊、13-第二轉動副、14-第二絲杠座、15-第三轉動副、16-第三驅動器、17-主動輪、18-傳動帶、19-從動輪、20-連接桿、21-行走驅動器、22-導向輪、23、24-行走輪、25-底座、26-導軌。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。首先，對輸送機構進行運動學分析，依據機構的運動學逆解求得機構的雅克比矩陣J；其次，采用拉格朗日法建立帶有摩擦力及干擾項的輸送機構動力學模型；然后，根據混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的運動要求，確定在實現輸送機構期望運動過程中輸送機構連接桿中點的期望運動軌跡確qd；然后，利用絕對編碼器檢測輸送機構各支路驅動電動機的實際運動狀態，由該實際運動狀態，基于機構運動學正解，計算得到該輸送機構連接桿中點實際運動位姿，并進一步計算得到該輸送機構連接桿中點期望位姿與實際位姿的偏差；設計PD滑模神經網絡復合動力學控制律，采用所設計復合動力學控制律計算得到各主動關節驅動控制量；將各主動關節驅動控制量發送給各電機驅動器，驅動混聯式汽車電泳涂裝輸送機構實現期望運動。具體方法如下：1、對機構進行運動學逆解分析，進一步求解運動學正解和雅克比矩陣選取機構末端執行器位姿參數q作為系統廣義坐標，采用解析法對機構進行運動學逆解分析求得其位置逆解方程，對運動學逆解求逆，即可求得輸送機構運動學正解，對位置逆解方程進行求導即對應速度反解，其反解系數矩陣即為雅克比矩陣，表示為：式中，是輸出速度向量，為輸入速度向量，J即為雅克比矩陣。2、采用分布式結構建立輸送機構控制系統以UMAC多軸運動控制器為核心控制單元設計輸送機構控制系統，控制系統采取“上位機+下位機UMAC多軸運動控制器”的分布式結構。3、采用拉格朗日法建立機構的動力學模型拉格朗日函數L定義為系統的動能T和勢能戶之差，即L＝T-P，其中T和P可以用任何方便的坐標系來表示，系統動力學方程，即拉格朗日方程為：整理并建立標準動力學方程：式中，M(q)為慣性矩陣，由式求得；為哥氏力和離心力項，由式求得；G(q)為重力項，由式求得；Q為廣義驅動力。由于動力學模型的準確性直接影響到基于動力學模型設計的輸送機構控制系統的控制效果，考慮本發明輸送機構實際受摩擦力和外部干擾的影響，因而建立考慮摩擦力及外部干擾的動力學模型，其結果如下式所示：式(4)中，q為輸送機構末端執行器的位姿向量，為q的一階導數；為q的二階導數；M(q)為慣性矩陣；為哥氏力和離心力項；G(q)為重力項；J為雅克比矩陣，JT為J的轉置；D(t)為外界干擾項(單位為：N)；F(t)為摩擦力項(單位為：N)且有其中：Fc為庫倫摩擦力矩陣，Bc為粘度系數矩陣，為的符號函數；Q為廣義驅動力。4、根據混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的運動要求，確定在實現輸送機構期望運動過程中輸送機構連接桿中點的期望運動軌跡qd根據混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的運動要求，確定在實現輸送機構期望運動過程中輸送機構連接桿中點的期望運動軌跡qd、期望運動速度期望運動加速度為qd的一階導數，為qd的二階導數。5、利用絕對編碼器檢測混聯式汽車電泳涂裝輸送機構各支路驅動電動機的實際運動狀態，由該實際運動狀態，基于輸送機構運動學正解，計算得到該輸送機構連接桿中點實際運動位姿，并進一步計算得到該輸送機構連接桿中點期望位姿與實際位姿的偏差。以機構各支路所配備的絕對編碼器檢測各驅動電動機實際運動狀態，并將檢測到的電動機實際運動速度，按照絲杠手冊折合成輸送機構絲杠的實際運動距離，根據絲杠的實際運動距離運用機構的運動學正解，計算得到該輸送機構連接桿中點實際運動位姿q，并進一步計算得到該輸送機構連接桿中點期望位姿與實際位姿的偏差6、設計結合神經網絡控制、PD控制及滑模控制的復合動力學控制律，據此計算出混聯式汽車電泳涂裝輸送機構各主動關節驅動控制量。令式(5)中，為輸送機構連接桿中點的位姿誤差；為的一階導數。如圖2所示，設計該PD滑模神經網絡復合動力學控制律如式(6)所示：式(6)中：是PD反饋控制項。式中，ε為可調正常數，Kp、Kd均為對稱正定矩陣。是神經網絡控制項，它實現如下的逆動力學特性：該控制項是由神經網絡實現的前饋控制。τsm＝εmsgn(S)是滑模控制分量。其中：εm取神經網絡擬合誤差的上界值。S為滑模面函數，且有式中：A＝diag(a1，a2…an)，且A可逆，a1，a2…an均為可調參數并滿足霍爾伍茲條件。sgn(S)為S的符號函數。將廣義力轉化為關節驅動力，需要做如下變換：Q＝JTτ(13)將式(6)代入式(13)可得輸送機構各主動關節驅動控制量為：7、將各主動關節驅動控制量發送給各電機驅動器，驅動混聯式汽車電泳涂裝輸送機構實現期望運動。由步驟6所確定的各主動關節驅動控制量，見式(14)，經控制系統數/模轉換，成為電壓模擬量。該模擬量作為驅動指令發送給各電機驅動器(伺服放大器)，控制各支路電機驅動輸送機構各主動關節，從而驅動輸送機構完成期望運動。以下提供本發明的一個實施例：實施例圖1機構為一種混聯式汽車電泳涂裝輸送機構，該機構包括行走機構和升降翻轉機構兩個功能部分。其中，行走機構通過行走驅動器21、導向輪22、行走輪23、行走輪24與導軌26配合實現輸送機構的行走運輸功能。升降翻轉機構的機架是行走機構的運動部分，所述升降翻轉機構主要由兩組相同的平面多桿機構構成。而所述的平面多桿機構又包括三個分支，其中第一分支包括：第一驅動器1、第一減速器2、第一導軌3、第一絲杠4、第一螺母5、第一轉動副6和第一絲杠座7；第一驅動器1固裝于第一減速器2上，第一導軌3、第一絲杠座7與第一減速器2之間相互固定，第一絲杠4的一端由第一驅動器1經第一減速器2驅動，同時第一絲杠4的另一端支撐于第一絲杠座7上，第一螺母5通過第一轉動副6安裝在行走機構的底座25上，第一螺母5與第一絲杠4構成螺旋副，同時第一螺母5與第一導軌3構成平移副；第二分支包括：第二驅動器8、第二減速器9、第二導軌10、第二絲杠11、第二螺母12、第二轉動副13和第二絲杠座14；第二驅動器8固裝于第二減速器9上，第二導軌10、第二絲杠座11與第二減速器9之間相互固定，第二絲杠11的一端由第二驅動器8經第二減速器9驅動，同時第二絲杠11的另一端支撐于第二絲杠座14上，第二螺母12通過第二轉動副13安裝在行走機構的底座25上，第二螺母12與第二絲杠11構成螺旋副，同時第二螺母12與第二導軌構成平移副；上述第一、二分支通過第三轉動副15相連。第三分支包括：第三驅動器16、主動輪17、傳動帶18、從動輪19；第三驅動器16固定安裝在第二減速器9上，主動輪17通過轉動副安裝在第二減速器9上，從動輪19通過轉動副安裝在第二絲杠座14上，由第三驅動器16所驅動的主動輪17通過傳動帶18帶動從動輪19轉動。所述的兩組平面多桿機構通過中間連接桿20相連，汽車車身通過固定架固定在中間連接桿20上。結合圖1公開的內容，本發明控制方法著力于以一種新型復合動力學控制技術解決混聯式汽車電泳涂裝輸送機構運動的高性能控制問題。該控制方法的具體實施方式如下：1、機構運動學正逆解分析及求解雅克比矩陣由于該混聯式汽車電泳涂裝輸送機構為對稱機構，因而可對該機構的單邊機構進行運動學分析。在圖3中，采用桿長長度約束方程，建立該混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的運動學方程，整理可得其運動學逆解方程為：式中，x、z、β分別為圖1中連接桿20在靜坐標系下的x、z軸的位移(單位為：m)及繞y軸轉動的角度(單位為：rad)；φ為圖1中半徑為R的主動輪17逆時針轉動角度(單位為：rad)，l1、l2分別為圖1中滑塊5、12到轉動副15之間的位移(單位為：m)，l4為圖1中絲杠4的長度(單位為：m)，l8為圖1中絲杠4、11兩固定位置之間距離(單位為：m)。對運動學逆解式(15)求逆，即可求得輸送機構運動學正解。采用基于符號運算的微分變換法求解該機構的雅各比矩陣，即式(15)兩端分別對時間求導并整理可得：式(16)簡記為式中[J]3×3即為混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的雅克比矩陣。2、采用分布式結構建立輸送機構控制系統采用“上位機IPC+下位機UMAC多軸運動控制器”的分布式結構建立該混聯式汽車電泳涂裝輸送機構控制系統，其控制系統框圖如圖4所示。上位機采用工業控制計算機，該控制系統以UAMC多軸運動控制器為核心控制單元，UMAC的CPU板TURBOPAMC2CPU模塊通過以Ethernet太網網口協議實現與上位機IPC的人機交互界面通訊，UMAC多軸運動控制器軸通道擴展卡ACC-24E2A與底層伺服驅動器通過差分形式進行通訊；UMAC多軸運動控制器的ACC65E接口一方面負責連接報警、伺服啟動、停止、急停信號，另一方面向新型混聯式汽車電泳涂裝輸送機構發送限位開關信號；該控制系統采用絕對位置檢測系統以解決機械冗余帶來的增量系統無法標記機械靈位的控制難題，上位機通過RS232/RS422轉換器實現與伺服驅動器的串口通訊來讀取絕對位置信息。3、采用拉格朗日法推導出基于任務空間的混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的動力學模型混聯式汽車電泳涂裝輸送機構系統的動能包括車體動能P動、支鏈動能P支、動平臺支架動能P動支、滑塊動能P滑、主動輪動能P主以及從動輪動能P從。即系統動能P為：P＝P動+P支+P動支+P滑+P主+P從(17)混聯式汽車電泳涂裝輸送機構系統的勢能包括車體勢能T動、支鏈勢能T支、動平臺支架勢能T動支、滑塊勢能T滑、主動輪動能T主以及從動輪動能T從。即系統勢能T為：T＝T動+T支+T動支+T滑+T主+T從(18)將式(17)和式(18)代入式(4)中，整理可得混聯式汽車電泳涂裝輸送機構動力學方程為：可得最終結果為：根據機構尺寸可得式中各參數為：l4＝l5＝1.3(m)，l3＝1(m)，l6＝l7＝0.65(m)，a＝2θ＝120°，mp＝17(kg)，m0＝2(kg)，R＝0.03(m)，m從＝0.25(kg)，m主＝0.5(kg)，a＝0.65(m)，b＝0.56(m)，c＝1.125(m)。式(19)中，q為混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點的位姿向量且有q＝(x，z，β)T，其中x為連接桿中點在x方向上的位移(單位為：m)，z為連接桿中點在z方向上的位移(單位為：m)，β為連接桿中點繞y軸轉動的角度(單位為：rad)；為q的一階導數；為q的二階導數；M(q)為慣性矩陣；為哥氏力和離心力項；G(q)為重力項；J為雅克比矩陣，JT為J的轉置；F(t)為摩擦力項且有其中：Fc為庫倫摩擦力矩陣，Bc為粘度系數矩陣且可設置為有界函數D(t)＝0.04cos(3t)，為的符號函數；Q為廣義驅動力。4、確定混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點的期望運動軌跡qd根據混聯式汽車電泳涂裝輸送機構翻轉入槽、槽中小幅正弦運動、再翻轉出槽的運動要求，確定該機構連接桿中點的期望運動軌跡qd如下所示：5、構建滑模面設混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點的期望位姿為qd(qd＝[xd，zd，βd]T)，并以系統的位姿誤差速度誤差作為狀態變量，即：設計滑模面為：式中：A＝diag(a1，a2，a3)，且A可逆，a1，a2，a3均為可調參數并滿足霍爾伍茲條件。6、PD滑模神經網絡復合動力學控制器設計可證明滿足系統穩定性條件所設計的PD滑模神經網絡復合動力學控制律為：7、以各主動關節驅動控制量驅動輸送機構運動根據步驟6，將廣義驅動力轉化為關節驅動力，整理可得各關節驅動控制量為：將已確定的控制量式(24)經控制系統數/模轉換后，成為模擬電壓指令發送給各支路電機驅動器(伺服放大器)，從而驅動升降翻轉機構完成期望運動。經MATLAB仿真，并與PD滑模控制器的作用進行比較，在所設計PD滑模神經網絡復合動力學控制器作用下，得到混聯式汽車電泳涂裝輸送機構連接桿中點各位姿分量軌跡跟蹤曲線如圖5各子圖中虛線所示，其滑模控制分量曲線分別如圖6各子圖中虛線所示。圖5和圖6表明，本發明所提出混聯式汽車電泳涂裝輸送機構的復合動力學控制方法，不僅使系統具有較好的跟蹤性能，而且由于具有神經網絡的前饋控制，與單獨采用PD滑模控制的方法相比，有效解決了滑模控制存在的抖振問題，可避免抖振對執行機構的不利影響，使得混聯式汽車電泳涂裝輸送機構控制系統呈現良好的控制性能。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。