1 引言

噴漿機器人是用來在礦山巷道支護中進行自動噴射混凝土的機械電子裝置，是一個高度非線性、強耦合和變參數(shù)的多變量系統(tǒng)，其主要控制系統(tǒng)是一個由微機控制的電液伺服系統(tǒng)。電液伺服控制可實現(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)點及易于實現(xiàn)自動化的特點，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、易于實現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)機器人技術(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、機械、化工等行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。實際中，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，并且在實際中微調(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)驗知識用模糊規(guī)則模型化，然后運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āＮ墨I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控制與先進的模糊控制相結(jié)合，然后運用推理實現(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的設(shè)計過程和步驟，與傳統(tǒng)PID控制相比，有效抑制了系統(tǒng)擾動和不確定性，提高了電液伺服系統(tǒng)的動態(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)行機構(gòu)和控制對象五個部分組成。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)計以控制某型噴漿機器人槍桿旋轉(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的控制方式，采用文獻中模型，依據(jù)電液伺服閥液壓控制回路實際情況，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，槍桿和傳感器，計算確定各自的傳遞函數(shù)，根據(jù)各個環(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

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，實際中采用試湊法進行PID參數(shù)整定時，過程繁雜．非常耗時，而且難得到最優(yōu)的PID控制器參數(shù)?？偠灾琍ID控制器的參數(shù)整定需要經(jīng)過大量的、反復(fù)的實驗才能確定較優(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)驗知識用模糊理論控制規(guī)則模型化，然后運用模糊推理獲得最優(yōu)的控制參數(shù)。

因此，我們設(shè)計電液伺服系統(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，分為三個語言變量：N（負），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，同樣分為三個語言變量。對于模糊控制的輸入輸出變量我們選擇和相同類型的隸屬度函數(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)則是由專家知識，操作經(jīng)驗和系統(tǒng)知識預(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=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，這對電液位置伺服系統(tǒng)對機械手的控制十分不利。我們通過模糊邏輯調(diào)節(jié)PID參數(shù)，應(yīng)用模糊自適應(yīng)控制器對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，比較可見，模糊自適應(yīng)PID控制可以有效地改善動態(tài)和靜態(tài)性能，能夠消除震蕩，并且響應(yīng)時間短，有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的抗擾動能力。

5 結(jié)論

本文通過模糊邏輯調(diào)節(jié)PID參數(shù)，設(shè)計的電液伺服系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)整定PID控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對PID參數(shù)的在線最佳調(diào)整，并獲取最優(yōu)控制參數(shù)。可以有效地改善動態(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)的抗擾動能力，這對在實際應(yīng)用中電液位置伺服系統(tǒng)對噴漿機器人的控制是十分有利的。