基于比例閥控缸的氣動(dòng)機(jī)械手柔性定位

王偉偉，陳冰冰, 舒　嫚

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

基于比例閥控缸的氣動(dòng)機(jī)械手柔性定位

王偉偉，陳冰冰, 舒嫚

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

摘要：以氣動(dòng)機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)氣缸的柔性定位為對(duì)象，建立基于比例閥控缸的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用PID(proportional-integral-differential)控制和自整定模糊PID控制方法，設(shè)計(jì)其控制器.通過Matlab和LabVIEW的混合編程,建立人機(jī)對(duì)話界面，同時(shí)搭建控制系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái).通過仿真分析和試驗(yàn)測試，結(jié)果表明PID控制和自整定模糊PID控制都能實(shí)現(xiàn)柔性定位，但后者具有更高的位置控制精度.

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)機(jī)械手； PID(proportional-integral-differential)控制； 自整定模糊PID控制； 比例閥； 柔性定位

氣動(dòng)機(jī)械手因具有結(jié)構(gòu)簡單、平穩(wěn)、無污染、價(jià)格低廉、易于維護(hù)等特點(diǎn)，越來越多地受到社會(huì)的重視,并在冶金、電子、制造和輕工等部門得到廣泛應(yīng)用.但是隨著微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)位置控制方式和精度的要求越來越高，而氣動(dòng)技術(shù)本身存在一些難以克服的缺點(diǎn)，難以建立其精確的數(shù)學(xué)模型，所以采用一般的控制方式，很難實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手高精度柔性位置控制,對(duì)雙缸和多缸同步協(xié)調(diào)控制就更難實(shí)現(xiàn)了.本文通過對(duì)經(jīng)典控制和智能控制策略的研究，采用自整定模糊PID(proportional-integral-differential)策略，實(shí)現(xiàn)較好的柔性定位.

1試驗(yàn)系統(tǒng)描述

圖1為氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖，其中，擺動(dòng)氣缸控制其旋轉(zhuǎn)，中型標(biāo)準(zhǔn)氣缸控制其垂直升降，小型標(biāo)準(zhǔn)氣缸對(duì)升降起輔助作用，薄型標(biāo)準(zhǔn)氣缸實(shí)現(xiàn)其水平方向的伸縮，氣動(dòng)手指氣缸實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取.

圖1　氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of the pneumatic manipulator

本文以氣動(dòng)機(jī)械手上的薄型標(biāo)準(zhǔn)氣缸位置運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，建立基于比例閥控缸的氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示.

圖2　氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)圖Fig.2　Pneumatic position control system diagram

氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)主要由6大部分組成：工控機(jī)(控制計(jì)算機(jī))；中泰公司的PCI-8333型數(shù)據(jù)采集卡；SMC公司的CDQ2A32-75型單活塞雙作用薄型氣缸；FESTO公司的MPYE-5-1/8-HF-010-B型方向比例閥；Honeywell公司的4000PC型壓力傳感器；直滑式導(dǎo)電塑料位移傳感器.系統(tǒng)工作中，當(dāng)給定的控制信號(hào)U大于傳感器反饋信號(hào)U1時(shí)，比例閥會(huì)左端接通，使氣缸向右移動(dòng)，從而使反饋信號(hào)變大，通過這種調(diào)節(jié)逐漸使電壓偏差為零；若U

該控制系統(tǒng)在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，做了以下假設(shè)[1]：忽略氣動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)泄與外泄；認(rèn)定系統(tǒng)的工作介質(zhì)近似為理想氣體，具有理想氣體的一切特性；氣體的內(nèi)能和動(dòng)能忽略不計(jì)；氣動(dòng)控制系統(tǒng)中的工作介質(zhì)流動(dòng)為等熵絕熱過程；氣源壓力和大氣壓力恒定.通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，運(yùn)用自動(dòng)控制理論、熱力學(xué)和力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得到氣動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(S)為

(1)

從式(1)看出該系統(tǒng)為三階系統(tǒng).在Matlab中對(duì)傳遞函數(shù)穩(wěn)定性分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)該傳遞函數(shù)有一個(gè)極點(diǎn)在原點(diǎn)上，則該系統(tǒng)不穩(wěn)定.同時(shí)氣動(dòng)系統(tǒng)易受到外界因素的干擾，以及氣體的可壓縮性和活塞與氣缸的摩擦不易精確測量等因素的影響，導(dǎo)致建立的數(shù)學(xué)模型不精確，所以用一般的控制策略難以取得較好的控制效果.本文采用自整定模糊PID控制方法進(jìn)行控制，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，就可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制.

2自整定模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1自整定模糊PID控制器原理

圖3　自整定模糊PID控制原理圖Fig.3　Structure of self-tuning fuzzy PID controller

2.2調(diào)節(jié)PID參數(shù)的模糊規(guī)則

由于PID參數(shù)與輸入控制器的偏差量E和偏差變化率EC之間存在一種非線性關(guān)系，這種非線性關(guān)系無法用清晰的數(shù)學(xué)模型來表示，但是可以用模糊語言表示出來，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理和試驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)Δkp，Δki，Δkd與E和EC有如下關(guān)系[4-5].

2.3輸入輸出量的模糊化及隸屬函數(shù)的確定

在隸屬函數(shù)選取中，由于三角形隸屬度函數(shù)靈敏度高，比較適合于在線調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制，所以本系統(tǒng)模糊控制器采用三角形隸屬度函數(shù)，其編輯可以在Matlab的FIS編輯器里完成.

2.4模糊控制規(guī)則的創(chuàng)建

在建立本控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則時(shí)選用“IF a AND b THEN c”的形式. 根據(jù)自整定模糊PID控制的設(shè)計(jì)思想可得kp，ki和kd模糊控制規(guī)則如表1～3所示[8].

表1　kp的模糊控制規(guī)則表

表2　ki的模糊控制規(guī)則表

表3　kd的模糊控制規(guī)則表

2.5系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真研究

為了對(duì)PID控制器和自整定模糊PID控制器的控制性能進(jìn)行比較，利用Matlab/Simulink對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行自整定模糊PID控制仿真和PID 控制仿真，控制對(duì)象為式(1). 系統(tǒng)的PID控制仿真模型、自整定模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型以及Fuzzy-PID子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[9]如圖4～6所示.

圖4　PID控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4　PID control system simulation model

圖5　自整定模糊PID控制仿真模型Fig.5　Self-tuning fuzzy PID control simulation model

圖6　Fuzzy-PID子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Fuzzy-PID subsystem structure

對(duì)仿真模型系統(tǒng)輸入8 mm的階躍信號(hào)，PID控制和自整定模糊PID控制的仿真響應(yīng)曲線如圖7所示. 從圖7可以看出，自整定模糊PID控制比PID控制具有更好的精度、更快的響應(yīng)速度以及較好的穩(wěn)定性，是一種性能優(yōu)異的控制器.

圖7　系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.7　Simulation results of the system

3試驗(yàn)

LabVIEW軟件是一種用圖標(biāo)代替文本而創(chuàng)建程序的編程化語言，在數(shù)據(jù)采集和控制界面上有很強(qiáng)的功能，而Matlab在數(shù)據(jù)分析上具有很強(qiáng)大的計(jì)算能力和直觀的仿真環(huán)境.本文試驗(yàn)通過在Matlab中完成控制算法和調(diào)用LabVIEW的接口，建立人機(jī)對(duì)話界面，完成軟件系統(tǒng)的開發(fā)和試驗(yàn)的在線監(jiān)控與監(jiān)測，試驗(yàn)中所用到的階躍信號(hào)條件，幅值為50mm,氣源壓力為0.6MPa. 試驗(yàn)結(jié)果分別如圖8和9所示.從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)輸入階躍信號(hào)時(shí)，PID控制的誤差為-2～2mm,自整定模糊PID控制的誤差為-0.5～0.5mm，并且運(yùn)用自整定模糊PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到了很大的改善，穩(wěn)定性也得到了提高.

(a) 響應(yīng)曲線

(b) 誤差曲線

(a) 響應(yīng)曲線

(b) 誤差曲線

4結(jié)語

本文研究的基于比例閥控缸的氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手的柔性定位，通過仿真分析和試驗(yàn)測試，得出氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)用自整定模糊PID控制比常規(guī)PID控制在柔性定位上有更好的精度，可為進(jìn)一步研究雙缸同步控制和多缸并聯(lián)控制奠定基礎(chǔ).

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Flexible Positioning of Pneumatic Manipulator Based on Cylinder Controlled by Pneumatic Proportional Valve

WANGWei-wei,CHENBing-bing,SHUMan

(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

Abstract:Flexible positioning of the pneumatic manipulator horizontal cylinder is chosen as the research object, and the pneumatic servo system is established on the basis of cylinder controlled by proportional valve.The mathematical model is deduced, and the system controller is designed with the methods of PID (proportional-integral-differential) control and self-tuning fuzzy PID control.The man-machine dialogue interface is established and experimental platform of the control system is set up through a combination of Matlab and LabVIEW programming.The simulation and experimental results show that the PID control and self-tuning fuzzy PID control can realize the flexible positioning, but the latter has higher control precision.Key words: pneumatic manipulator; PID (proportional-integral-differential) control; self-tuning fuzzy PID control; proportional valve; flexible positioning

文章編號(hào)：1671-0444(2016)02-0248-05

收稿日期：2015-01-19

作者簡介：王偉偉(1988—)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電液/氣一體化.E-mail：wangweiwei.ajr@163.com 陳冰冰(聯(lián)系人)，男，副教授， E-mail:cbb214@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A