滑模变结构控制在喷浆机器人中的应用分析-application analysis of sliding mode variable structure control in shotcrete robot.docx

摘要煤矿井下巷道广泛采用锚喷支护的方式。用人工进行喷射混凝土作业，存在回弹率高，施工质量难以保证，工作环境恶劣等弊端。因此，采用机器人进行喷浆作业，已成为一种发展趋势。滑模变结构控制从上世纪五十年代出现，到七十年代开始快速发展,因其具有许多优秀的动态品质而受到控制界的重视,并一直是人们研究的热点之一。本文首先对滑模变结构控制方法进行了探讨和分析，主要包括滑模变结构控制的基本问题、滑模变结构控制的动态品质、滑模变结构控制的不变性和滑模变结构控制的抖振问题等。对滑模变结构控制应用的相关问题也进行了探讨，并将其应用到喷浆机器人的控制上。对喷浆机器人进行了建模,经过分析和研究，用虚拟弹簧法建立了喷浆机器人大臂的等效机构，建立了喷浆机器人动力学方程，并结合喷浆机器人特有的约束条件对动力学方程进行了解耦。同时，分析研究了喷浆机器人液压驱动器的动态和动力学特性，给出了它的动态方程。进而把机器人的动力学方程和液压驱动器的动态方程相结合，得到了整个系统的动态方程。对喷浆机器人的大臂进行了滑模变结构控制，具体包括切换函数的设计，控制律的设计和稳定性分析。主要分为如下几种滑模变结构控制方法：基于趋近律的滑模控制、准滑模控制、一般的滑模控制、快速Terminal滑模控制、具有鲁棒性的全局快速Terminal滑模控制、动态Terminal滑模控制、以及非奇异Terminal滑模控制。使用Matlab对喷浆机器人的滑模变结构控制进行了仿真。仿真实验表明，文中提出和设计的滑模变结构控制应用于喷浆机器人是切实可行的，并具有优良的控制品质。对喷浆机器人的液压驱动系统和电控系统进行了介绍。使用嵌入式系统，实现了对喷浆机器人的滑模变结构控制，验证了滑模控制的有效性和优良品质。关键词：锚喷支护，滑模变结构控制，喷浆机器人，虚拟弹簧法,Terminal滑模控制，抖振，不变性AbstractTheboltingandshotcretesupportmethodsarewidelyusedinthecoalmines.There’remanyshortcomingswhentheshotcreteworksareconductedmanually,mainlyincludethehighratereboundsoftheconcrete,difficulttoguaranteethequalityoftheengineeringandthebadconditionsintheworkingplace.Sothetrendistoreplacetheworkerswithrobotintheshotcreteactivities.Slidingmodevariablestructurecontrolemergedinthe1950sanddevelopedrapidlystartingfromthe1970sasacontrolmethod.Duetoitsseveralexcellentproperties,thismethodhasattractedgreatattentionsinthecontrolfieldandremainsasahottopicfortheresearchers.Inthispaper,theslidingmodevariablestructurecontrol(SMVSC)methodhasbeenstudiedandanalyzed.Itmainlycoverstopicsofthebasictheory,thedynamicquality,theinvariance,andthechatteringproblemsoftheSMVSC.RelatedissuesconcerningtheapplicationsoftheSMVSChavealsobeenstudied.TheSMVSCmethodisappliedtoshotcreterobotinthepaper.Throughanalysisandstudy,theequivalentmechanismoftheupperarmoftherobotisgivenusingthevirtualspringapproach.Thedynamicequationsoftherobotareestablishedanddecoupledwiththespecificconstraintconditionsofit.Inthesametime,thedynamicsofthehydraulicactuatorarestudiedanddynamicequationsaregiven.Combiningthem,thedynamicequationsofthewholesystemacquire