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，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，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自適應(yīng)整定反饋控制律中的PID參數(shù)，它無需精確確定對象模型，只需將操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)知識用模糊規(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)的跟蹤控制問題，基于滑?？刂评碚?，提出了一種具有參數(shù)自適應(yīng)能力的自適應(yīng)滑?？刂?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/方法">方法。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PID參數(shù)的在線最佳調(diào)整。論文給出了控制算法的詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程和步驟，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。

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，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自適應(yīng)整定反饋控制律中的PID參數(shù)，它無需精確確定對象模型，只需將操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)知識用模糊理論控制規(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，我們設(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，輸入信號為工作臂期望轉(zhuǎn)角，輸出信號為工作臂實(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。