无轴ESTA涂装系统轮廓控制策略的研究

论文摘要

随着近十五年来中国汽车工业的飞速发展,人们对车身外观质量的要求也日益提高。漆面质量作为衡量车身外观的重要指标,成为各个汽车生产厂商关注的重点。本文以轿车车身涂装中最重要的一个环节—ESTA(高速旋杯静电自动涂装机)涂装为背景,对无轴轮廓控制在ESTA车身轮廓仿形中的应用进行了比较全面而深入的研究,取得了一定的成果。无轴轮廓控制本质上是一个多台伺服电机的协调运动控制问题,但又有别于单纯的多电机同步控制系统,它需要将多台电机的输出作为一个整体来综合考虑。本文以沈阳华晨宝马汽车有限公司涂装线ESTA涂装系统为背景,对无轴多电机轮廓控制系统在ESTA涂装机中的应用做了探索性的研究。本文首先对多电机同步结构进行了分析,利用系统传递函数和两种典型轮廓曲线,分析轮廓误差的产生机理,从而引出多轴轮廓系统的控制策略,由单轴前馈和轴间补偿两部分构成。对于单轴伺服系统,由于典型的三环位置伺服系统在理论和实际应用上都已经比较成熟,系统传递函数阶次已知,并且对于ESTA涂装中的轮廓控制系统来说,目标轨迹是事先已知的。因此本文采用ZPETC(零相位误差跟踪控制)策略,设计带有最优滤波器的前馈控制器,提高单轴系统的动态性能,从而减小轮廓误差。对于各轴间的轮廓误差,指向设定轨迹法线方向的偏差是比单纯的轴向跟踪误差更重要的性能指标。本文将交叉耦合控制策略引入到多伺服电机的轮廓运动控制中,将轮廓误差由开环转为闭环,进一步提高轮廓精度。针对交叉耦合控制策略,本文采用误差传递函数的分析方法,将交叉耦合系统化为一个常规的反馈系统,指出多电机并行同步结构加入交叉耦合控制策略之后,将带有非线性与时变特性,常规的PID控制无法达到良好的控制效果。本文将基于改进BP算法的PID控制器引入到无轴轮廓控制中,作为各轴间的交叉耦合控制器。通过仿真证明,该控制方法可以有效的减小轮廓误差,对于ESTA系统中的典型轮廓轨迹,具有良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 车身涂装与无轴运动控制
• 1.2.1 涂装技术的发展历程
• 1.2.2 无轴运动控制简介
• 1.2.3 无轴系统的技术优势
• 1.3 无轴技术在其它行业中的应用
• 1.4 论文主要工作及论文结构
• 第二章 ESTA车身涂装与轮廓控制
• 2.1 ESTA涂装工艺简介
• 2.2 ESTA涂装中的轮廓控制
• 2.2.1 ESTA顶喷轮廓控制系统
• 2.2.2 ESTA顶喷轮廓控制系统的缺陷
• 2.3 本章小结
• 第三章 多电机无轴伺服控制
• 3.1 伺服驱动原理概述
• 3.2 伺服驱动系统模型
• 3.2.1 PMSM电机模型
• 3.2.2 PMSM电机控制方式
• 3.2.3 单轴伺服驱动系统模型
• 3.3 多电机伺服驱动系统结构
• 3.3.1 多电机同步原理
• 3.3.2 无轴系统的同步控制结构
• 3.4 本章小结
• 第四章 轮廓误差形成机理及控制策略
• 4.1 轮廓误差的形成机理
• 4.1.1 各轴参数之间匹配关系对轮廓误差的影响
• 4.1.2 系统动态特性对轮廓误差的影响
• 4.2 轮廓误差的控制策略
• 4.2.1 单轴跟踪误差的控制
• 4.2.2 多轴间的位置补偿
• 4.3 轮廓误差计算与交叉耦合控制策略
• 4.3.1 典型变增益交叉耦合控制
• 4.3.2 任意曲线轮廓误差逼近
• 4.4 交叉耦合控制策略的理论分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 无轴轮廓交叉耦合控制策略设计
• 5.1 基于改进BP算法的神经网络PID控制
• 5.1.1 数字PID控制
• 5.1.2 神经网络PID控制算法
• 5.2 神经网络PID交叉耦合轮廓控制器设计
• 5.3 控制策略仿真研究与结论分析
• 5.3.1 被控对象数学模型
• 5.3.2 ZPETC前馈控制器
• 5.3.3 控制策略仿真与结论分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢