噴漿機(jī)器人電液伺服系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)整定方法

1 引言

噴漿機(jī)器人是用來(lái)在礦山巷道支護(hù)中進(jìn)行自動(dòng)噴射混凝土的機(jī)械電子裝置，是一個(gè)高度非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合和變參數(shù)的多變量系統(tǒng)，其主要控制系統(tǒng)是一個(gè)由微機(jī)控制的電液伺服系統(tǒng)。電液伺服控制可實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、壓力控制和同步控制，由于其顯著優(yōu)點(diǎn)及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域且發(fā)展迅速。電液伺服系統(tǒng)綜合了電氣和液壓兩方面的特長(zhǎng)，具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快、輸出功率大、控制精度高、信號(hào)處理靈活、易于實(shí)現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)中占有舉足輕重的地位。

PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種最普遍的控制方法，在冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。實(shí)際中，對(duì)于電液伺服系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)PID控制算法能夠很好的完成預(yù)定的控制要求。然而，PID控制器的參數(shù)很難一次確定下來(lái)，其參數(shù)的選取往往取決于經(jīng)驗(yàn)，并且在實(shí)際中微調(diào)也比較困難。然而，利用模糊控制理論來(lái)自適應(yīng)整定反饋控制律中的PID參數(shù)，它無(wú)需精確確定對(duì)象模型，只需將操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用模糊規(guī)則模型化，然后運(yùn)用模糊推理獲得最優(yōu)的控制參數(shù)，能夠很好的克服這方面的不足。文獻(xiàn)針對(duì)存在參數(shù)不確定性的電液位置伺服系統(tǒng)的跟蹤控制問(wèn)題，基于滑?？刂评碚摚岢隽艘环N具有參數(shù)自適應(yīng)能力的自適應(yīng)滑?？刂品椒?。文獻(xiàn)在不影響滑模變結(jié)構(gòu)控制魯棒性的情況下，在常規(guī)的滑模變結(jié)構(gòu)控制中引入模糊自學(xué)習(xí)控制方法。

本文將以控制某型噴漿機(jī)器人的重要關(guān)節(jié)--槍桿旋轉(zhuǎn)的電液位置伺服控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立噴漿機(jī)器人槍桿的旋轉(zhuǎn)電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了一種新的電液伺服系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)整定PID控制方法，把經(jīng)典的PID控制與先進(jìn)的模糊控制相結(jié)合，然后運(yùn)用推理實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線(xiàn)最佳調(diào)整。論文給出了控制算法的詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程和步驟，與傳統(tǒng)PID控制相比，有效抑制了系統(tǒng)擾動(dòng)和不確定性，提高了電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

2 電液伺服系統(tǒng)模型

液壓伺服系統(tǒng)一般由反饋測(cè)量元件、輸入元件、轉(zhuǎn)換放大裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象五個(gè)部分組成。其典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示：



圖1  液壓伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

本設(shè)計(jì)以控制某型噴漿機(jī)器人槍桿旋轉(zhuǎn)的電液位置伺服控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)采用了電液伺服閥控制液壓馬達(dá)的控制方式，采用文獻(xiàn)中模型，依據(jù)電液伺服閥液壓控制回路實(shí)際情況，我們畫(huà)出其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示：



圖2  控制系統(tǒng)方框圖

根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，選擇合理的伺服放大器，伺服閥，液壓馬達(dá)，槍桿和傳感器，計(jì)算確定各自的傳遞函數(shù)，根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以得到伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：



式中，為工作臂的轉(zhuǎn)角，為輸入控制信號(hào)。

3 模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

3.1 PID控制

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制方式是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示：



圖3   PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID的控制率為：



3.2 模糊自適應(yīng)PID控制

由于PID控制器參數(shù)很難一次確定下來(lái)，其參數(shù)的選取往往取決于經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際中采用試湊法進(jìn)行PID參數(shù)整定時(shí)，過(guò)程繁雜．非常耗時(shí)，而且難得到最優(yōu)的PID控制器參數(shù)。總而言之，PID控制器的參數(shù)整定需要經(jīng)過(guò)大量的、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)才能確定較優(yōu)值。然而，利用模糊控制理論來(lái)自適應(yīng)整定反饋控制律中的PID參數(shù)，它無(wú)需精確確定對(duì)象模型，只需將操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用模糊理論控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用模糊推理獲得最優(yōu)的控制參數(shù)。

因此，我們?cè)O(shè)計(jì)電液伺服系統(tǒng)模糊控制框圖如圖4所示：



圖4  模糊自適應(yīng)PID電液伺服控制器

上圖所示的控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，誤差，誤差變化為，輸入信號(hào)為工作臂期望轉(zhuǎn)角，輸出信號(hào)為工作臂實(shí)際轉(zhuǎn)角，是電液伺服系統(tǒng)的控制輸入，也是模糊自適應(yīng)控制器的輸出。

模糊自適應(yīng)PID控制器的輸出變量為，有



其中，分別為比例，積分和微分系數(shù)的初始值，是由模糊控制確定的增量值。

模糊邏輯控制器的輸入為和，輸出為，和的取值范圍分別為-0.2~0.2rad和-20~20rad/s，分為三個(gè)語(yǔ)言變量：N（負(fù)），Z（零），P（正）。的取值范圍分別為-0.02~0.02，-0.06~0.06和-0.0001~0.0001，同樣分為三個(gè)語(yǔ)言變量。對(duì)于模糊控制的輸入輸出變量我們選擇和相同類(lèi)型的隸屬度函數(shù)（Z型，三角形和S型）如圖5



圖5  隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則是由專(zhuān)家知識(shí)，操作經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)知識(shí)預(yù)先設(shè)定的，因此我們根據(jù)電液伺服系統(tǒng)的特性，設(shè)置新的模糊規(guī)則如表I~III所示。



4 仿真研究

給定工作臂期望轉(zhuǎn)角階躍信號(hào)=0.2rad，選取傳統(tǒng)PID控制參數(shù)為，電液伺服系統(tǒng)傳統(tǒng)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控效果如圖6所示：



圖6  電液伺服系統(tǒng)階躍響應(yīng)

由上圖可見(jiàn)傳統(tǒng)PID控制有明顯的超調(diào)現(xiàn)象，并有輕微的震蕩，這對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手的控制十分不利。我們通過(guò)模糊邏輯調(diào)節(jié)PID參數(shù)，應(yīng)用模糊自適應(yīng)控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，比較可見(jiàn)，模糊自適應(yīng)PID控制可以有效地改善動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，能夠消除震蕩，并且響應(yīng)時(shí)間短，有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

5 結(jié)論

本文通過(guò)模糊邏輯調(diào)節(jié)PID參數(shù)，設(shè)計(jì)的電液伺服系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)整定PID控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線(xiàn)最佳調(diào)整，并獲取最優(yōu)控制參數(shù)?？梢杂行У馗纳苿?dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，這對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中電液位置伺服系統(tǒng)對(duì)噴漿機(jī)器人的控制是十分有利的。