气动人工肌肉并联驱动平台的模糊PID控制.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS J u 1 ．2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 2 6 气动人工肌肉并联驱动平台的模糊 P I D控制 任碧诗 ，施光林 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 2 0 0 2 4 0 摘要气动人工肌肉是一种新型的气动执行器，具有重量轻、输出力／ 缸径比大等优点。设计了一种采用 4根气动人工 肌肉的并联驱动平台，并以高速开关阀控制气动人工肌肉实现平台的运动。为实现运动平台高精度的位置控制，针对该系 统设计了模糊 P I D控制器，较传统的P I D控制器 ，这种模糊控制器能够对 P I D的参数进行在线 自动调整 ，因而能够满足变 工况下的控制精度要求。实验结果验证了模糊 P I D控制器对于运动平台高精度位置控制的有效性。 关键词 气动人工肌肉；并联驱动；平台；高速开关阀；模糊 P I D 中图分类号T H 1 3 8 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3 0 8 5 3 Fu z z y ． PI D Co n t r o l o f Pl a t f o r m Dr i v e n by Pne u ma t i c Ar t i fic i a l M us c l e s Un i t e dl y REN Bi s h i ． S HI Gu a n g l i n S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e p n e u ma t i c a r t i fi c i a l mu s c l e i s a n e w t y p e o f fl e x i b l e a c t u a t o r ．I t h a s t h e a d v a n t a g e s o f l i g h t w e i g h t a n d l a r g e p o w e g v o l u me r a t i o s ．A p l a tf o r m d r i v e n b y 4 p n e u ma t i c a r t i fi c i a l mu s c l e s u n i t e d l y wa s p r o p o s e d，a n d t h e mo t i o n o f t h i s p l a t f o rm wa s c o n t r o l l e d b y h i g h s p e e d p n e u ma t i c o n ／o ff v alv e s ．I n o r d e r t o a c h i e v e h i g h e r c o n t r o l p r e c i s i o n o f p l a t f o rm ，a f u z z y P I D c o n t r o l l e r Was d e s i g n e d ．Co mp e d wi t h c o n v e n t i o n a l P I D c o n t r o l l e r ，t h i s k i n d o f c o n t r o l l e r c a n a d a p t t h e P I D p a me t e m o n l i n e，S O i t c o u l d me e t c o n t r o l p r e c i s i o n r e q u i r e me n t u n d e r v a ri a b l e wo r k i n g c o n d i t i o n ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p l a tf o rm wi t h t h e f u z z y P I D c o n t r o l l e r a c hi e v e s g o o d c o nt r o l a c c ur a c y． Ke ywo r ds P ne u ma t i c a r t i fic i al mu s c l e s；Pa r all e l dr i v e； Pl a tfo r m ； Hi g h s p e e d o n ／o ff v a l v e； Fu z z y PI D 0 引言 气动人工肌 肉 P A M P n e u m a t i c A r t i fi c i a l M u s c l e 是一种新 型的拉 伸型气 动执行元件。 由于其 具有重量 轻、输出力／ 缸径比大、柔顺性好、使用安全方便等 优点，近年来广泛应用于服务 、医疗 、娱乐 、康复机 械及工装 夹具等 各 个领 域并 具 有 良好 的潜 在应 用前 景 。但 由于气动 人工肌 肉又具有典 型的非线性 和 迟滞性 ，难以进 行精确的数学建模 ，并且在负载变化 和扰动存在时，需要不断调整控制参数，所以传统的 P I D控制器难以满足控制系统的要求。而模糊 P I D控 制器不依赖于对象模 型，用语言变量来描述系统特 征，不需要被控制对象的精确数学模型，并能够依据 系统的动态信息和模 糊控制规则进行推理 以获得合适 的控制量 ，因而具有较 强的鲁棒性并且能实现 P I D控 制器的参 数在线 自调 整 ，改善 了 P I D控制 器 的性 能 ， 以适应控制系统的参数变化和工作条件变化 。 作者采用气动人工肌 肉作为执行元件 ，建立 了一 套人工肌 肉并联驱动的平 台系统 ，并利用模糊 P I D控 制策略对平台位置进行控制 ，得到 了比较好 的控制效 果 。 1 并行驱动平台设计 1 0 I 、2 、3 、4 一 气动 人 工肌 肉 s 一 框 架 6 、7 、8 、9 一钢 丝 l O 一 运 动 平 台 图 1 气动人工肌肉并联驱动平台结构图 气 动 人工 肌 肉并联 驱 动 平 台 机构 如 图 1所示 。 整套系统由一个 4 m 4 m 3 ． 3 m的固定框架、一个 运动的平台以及连接于运动平台和固定框架之间的4 根 等长的气动人 工肌 肉和钢丝绳 滑轮等 组成。4根 气 动人工肌 肉分别 通过钢丝绳和运动平台上的 4个节 点 相 连接 。其 中，1 、4号 气动人 工 肌 肉通过 钢丝 绳 及 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 3 作者简介任碧诗 1 9 8 4 一 ，硕士研究生，主要研究方向基于气动人工肌肉飞行模拟器的计算机控制和气动医用物流输 送 系统 的 C A N总线控制。电话 1 3 7 6 4 6 8 6 0 4 0 ，Em a i l r e n b i s h i s h i s i n a ． c o rn。 8 6 机床与液压 第 3 8卷 滑轮导向与运动平台的节点 A、D相连；2 、3 号气动 人工肌肉通过钢丝绳及滑轮绕经固定框架的底部与运 动平台上的节点 B 、c相连。当4根气动人工肌肉同 时充气时 ，肌肉收 缩带动运 动平 台向上运动 ；同理 ， 气动人工肌肉同时放气时，运动平台向下运动。 2控制系统设计 2 ． 1 气动 回路 的设计 整套 系统 的气动 回路如图 2所示 。4根气 动人工 肌肉的动作由4组 8 个高速开关阀控制。气动人工肌 肉选用 F E S T O公司的产品，初始直径为 4 0 m m，长 度为 2 5 0 0 m m，最大收缩量 为原始 长度 的 2 5 ％ ，最 大收缩时的直径为 7 5 m m，型号为 MA S一 4 0 2 5 0 0 一 A AM CO 。高 速开 关 阀为 F E S T O公 司 的产 品 MH E 4一 MS l H一 3 ／ 2 GQ s 8 。 图2 气动人工肌肉并联驱动平台气动回路 采用空气 压缩 机供 气 ；压 缩气 体储 存 于一 气罐 中，以备气动人工肌肉用气量大时，提供充足的压缩 气体 。 2 ． 2计算机控制 系统设计 气动人工肌肉并联驱动平台的计算机控制如图3 所示。采用研华工控机作为控制机，利用数据采集卡 和端子板，实时采集气动人工肌肉上力、气压和位移 传感器信号。控制系统根据采集到的气动人工肌 肉的 收缩量作为反馈 信号 ，经过计算获得运动平 台的位置 姿态，而后通过控制算法输出合适的占空比信号来控 制高速开关阀的动作，进而达到控制平台姿态的目的。 而力和气压信号作为监测信号，实时监测气动人工肌 图3 气动人工肌肉并联驱动平台控制系统原理图 肉的状态，以保证气动人工肌肉工作在正常状态下。 3 模糊 P I D控制器 作者采用模糊 一P I D控制策略实现运动平台的姿 态的控制。其控制结构框图如图4所示，模糊 P I D控 制器 中模糊控制器以误差 e和误差变化率 e c 作为输 入， 。 、 和 为输出信号。根据模糊控制规 则对 P I D控制参数 k 。 、k i 和 k 进行在 线整定 ，以满 足不同误差和误差变化率对控制器参数的要求 ，使被 控对象具有较好的静、动态性能，满足控制系统要 求。模糊控制器的输入输出均采用负大 N B 、负 中 N M 、负小 N S 、零 z 、正小 、正中 P M 、正大 P B 7个语 言变量 。输人变量 e 和 e c 的隶属函数采用 t r i m f 、s m f 和 z m f ，论域为 [ 一 6 ，6 ] ； 输出变量 。 、 。 和 △ 的隶属函数均采用三角形 函数 ，论域为 [ 一1 ，1 ] ，各隶属函数曲线如图 5所 示。图6所示为输出变量 。 、△ 和 的控制规 则 。模 糊 P I D控 制 系 统 利 用 M A T L A B 中 R e a l - T i m e Wo r k s h o p的外部模式来实现，其 S i m u l i n k 框图如图7 所示 a e 隶 属 度 函 数 控制系统框图 ‘ b 蔷 度 函 数 k ‘ d A k i 隶属度 函数 图5 隶属度函数 9 O 机床与液压 第 3 8 卷 按照国家标准 G B T 1 5 6 2 3 ． 1 - 2 0 0 3 搭 建实验 系统 ， 对 电液伺服阀进行 了测试 。 静态特性 的实验结果与仿真结果 的对 比如 图7所 示。结果表明该伺服阀的最大输出流量可达6 0 L ／ m i n 2 A驱动 电路 ，流量增 益为 3 ． 31 0 “m ／ s A ， 非线性度小于 3 ％。仿真流量 曲线 与名义 流量 曲线基 本吻合，说明建立的直动式伺服阀的静态模型是准确 的，其仿真结论具有可操作性和借鉴意义；仿真流量 曲线的斜率略大于名义流量曲线，这主要因为阀体的 加工精度与仿真采用的理想情况无法完全一致，二者 存在较小的误差。 Q I L ‘ rai n 。 ‘ ， V 40 3O 2 0 l0 ● I I l I I I 6 - 1 ． 2 一 “8- v ． o “ O 0 ． 4 0 ． 8 1 ． 2 1 ． ， ／ ． 。 ． f ， 铷 一 40 图7 静态特性仿真与实验曲线对比 4结论 提 出了一种新 型的集成位移反馈的直动式 电液伺 服阀，采用仿真软件 A M E S i m，建立了静态特性的仿 真模型，对直动式电液伺服阀的静态特性进行了仿真 分析 ，实验得到了直动式电液伺服阀控制流量的静态 试验曲线，试验结果与仿真结果吻合，说明仿真模型 是有效的。实验结果表明，直动式电液伺服阀具有良 好 的控制特性 。 参考文献 【 1 】 苏东海， 任大林， 杨京兰． 电液比例阀与电液伺服阀性能 比较及前景展望 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 ， 2 8 4 1 4． 【 2 】 周玉虎， 白志红， 熊光煜． 直动式电液伺服阀控制系统的 建模与仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 4 1 1 8 4 8 9． 【 3 】 姜继海， 黄英玲 ， 邹小舟， 等． 直接驱动式电液压力伺服 阀的特性研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 ， 2 8 6 5 1 5 4． 【 4 】M e r c o r e l l i P ． R o b u s t f e e d b a c k l i n e a r i z a t i o n u s i n g a n a d a p - t l’ v e P D r e g u l a t o r f o r a s e n s o r l e s s c o n t r o l o f a t h r o t t l e v a l v e [ J ] ． Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 9， 1 9 8 1 3 3 41 3 4 5 ． 【 5 】K a r u n a n i d h i a S ，S i n g a p e r u m a l b M． D e s i g n ， a n a l y s i s a n d s i mul a t i o n o f ma gn e t o s t r i c t i v e a c t ua t o r a nd i t s a p p l i c a t i o n t o h i g h d y n a m i c S e l V o v a l v e [ J ] ． S e n s o rs a n d A c t u a t o r s A P h y s i c a l ， 2 0 1 0 ， 1 5 7 2 1 8 51 9 7 ． 上接 第7 3页 数，能够达到减少压力超调、提高系统鲁棒性 的作 用。 对两种不 同泵源工作过程中的无效功耗进行对 比 分析 ，结果表明 采用变转 速泵源 以后 ，液压泵 的无 效功耗有明显的下降。 参考文献 【 1 】M a J u n g o n g ， Wa n g S h i f u ， Wa n g Z h a n l i n ． T h e I n t e l l i g e n t P u m p T e s t S y s t e m B a s e d o n V i r t u a l I n s t r u me n t [ C] ／ ／ Pr o c ． o f Fi f t h I nt e r n a t i o n a l Sy mp o s i u m o n I n s t r ume n t a t i o n a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ． 6 5 8 95 9 2 ． 【 2 】 王世富， 马俊功， 王占林． 机载智能泵源研究中的关键技 术[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 4 5 5 6 0 ． 【 3 】 陈朗． 影响恒压式液压舵机速度的因素分析[ J ] ． 战术 导弹控制技术 ， 2 0 0 3 4 3 53 8 ． 【 4 】 T e s s m a n R T ． H y d r a u l i c P u m p P e r f o r m a n c e a s a F u n c t i o n o f S p e e d a n d P r e s s u r e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f A S M E 9 6 1 7 4 4 ， 2 0 0 3 6 2 63 0 ． 【 5 】 何苏秦， 王忠勇． T M S 3 2 0 C 2 0 0 0系列 D S P原理及实用技 术[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 3 ． 9 4 5～ 4 8 ． 【 6 】 郝晓宏， 靳方义． 永磁无刷直流方波电机控制特性及其 伺服系统控制策略[ J ] ． 电气传动 自动化， 1 9 9 9 8 5 6 65． 上接第 8 7页 数、微分系数、积分系数进行在线 自适应调整，从而 使系统的控制精度有所提高 ，特别是在平 台下降阶 段，模糊 P I D控制较传统的 P I D控制有着较高的控制 精度 。 参考文献 【 1 】 苏生荣， 应申舜． 面向机器人驱动的人工肌肉技术研究 进展 [ J ] ． 机械科学与技术 ， 2 0 0 9 ， 2 8 6 8 3 48 3 9 ． 【 2 】S i t u m z ， H e r c e g s ． D e s i g n a n d C o n t r o l o f a M ani p u l a t o r A r m D r i v e n b y P n e u ma t i c Mu s c l e s A c t u a t o r s [ C] ． 2 0 0 8 Me d i t e r r a n e a n C o n f e r e n c e o n C o n t r o l a n d Au t o ma t i o n C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g s ， ME D， 0 8 ，NO． 4 6 0 2 1 3 6 9 2 6 92 7． 【 3 】 Wa n g Y T ， Wo n g R H， Y u C W， e t a1 ． F u z z y c o n t r o l 2 D p n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r S a l i a ． Me asu r e me n t a n d C o n t r o l [ J ] ． 2 0 0 9 ， 4 2 1 2 4 2 7 ． 【 4 】 李英， 彭光正， 范伟． 模糊 P I D控制在气动人工肌肉位置 控制中的应用[ J ]． 液压与气动， 2 0 0 5 4 3 1 3 3 ． 【 5 】 陈新增， 施光林． F u z z y P I D在柔索并联驱动转台控制 系统中的应用[ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 1 3 1 4