基于模糊PID融合的柔性机械臂振动压电主动控制研究
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第41卷第1期2021年2月振动、测试与诊断Vol.41No.1Feb.2021 Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis压电柔性机械臂系统辨识与振动主动控制∗康建云,毕果,苏史博(厦门大学航空航天学院厦门,361005)摘要以Euler⁃Bernoulli悬臂梁为实验模型,研究了压电柔性机械臂系统的模型建立和振动主动控制的问题。
首先,针对柔性构件在建模过程中的复杂性和非线性等特点,采用实验辨识的方法建立了由压电致动器输入到压电传感桥路的输出之间的传递函数模型;其次,对于压电柔性机械臂的弹性振动问题,基于线性二次型最优控制理论,针对加权矩阵难以解析的关键问题,将遗传算法应用于控制器的设计中,对加权矩阵进行优化设计;然后,在理论研究的基础上搭建硬件实验平台,编写了软件测控程序,并开展压电柔性机械臂振动控制的实验研究;最后,对柔性臂在自由衰减和持续激励的情况下分别进行振动主动控制实验。
实验结果表明,柔性臂在2种激励下的振动均得到了有效抑制。
关键词柔性机械臂;系统辨识;遗传算法;振动控制中图分类号TH113.1;TP24;TB535引言由于具有效率高、能耗低、载荷比大以及构建设计紧凑等优点,以空间站吊装用机械臂、大型柔性天线、空间太阳能帆板为代表的柔性构件在在航空航天领域得到了广泛应用[1]。
但是,柔性结构体由于其固有的低刚度和低阻尼特性,在操作过程中受到不规律的外扰动力很容易产生幅度较大且不易衰减的弹性振动,影响了操作过程中的定位精度和操作效率,无法满足实际操作需要。
随着智能柔性臂的发展,响应速度、定位精度以及重载等关键问题日益突出,因此必须对柔性机械臂进行必要的振动控制。
压电类材料作为一种能够将电能与机械能互相转换的材料,具有结构紧凑、响应时间快和能量转换效率高等特性,为柔性结构的振动主动控制提供了新的思路。
学者们对基于压电柔性机械臂的振动主动控制进行了广泛研究[2⁃3]。
基于模糊PID的机械臂控制系统设计董森;荣丽红;仝志民;肖跃进;杨锦辉【摘要】针对传统控制器不能使机械臂达到精确控制的问题,提出了一种将模糊PID控制系统应用到机械臂上,可以满足机械臂高精度的控制需求.该系统以六自由度机械臂为控制对象,利用STM32单片机实现模糊PID控制,建立串行通讯接口使单片机与PC端实现通信,在PC端设计上位机界面用于输入控制命令,使系统执行相应的动作.最后,在Simulink环境下将模糊PID控制与传统PID控制进行仿真对比,可以看出模糊PID控制效果要优于传统PID控制,通过对该控制系统不断优化,可以使控制算法与控制对象相匹配.【期刊名称】《黑龙江八一农垦大学学报》【年(卷),期】2018(030)005【总页数】5页(P98-102)【关键词】机械臂;模糊PID控制;STM32单片机;Simulink【作者】董森;荣丽红;仝志民;肖跃进;杨锦辉【作者单位】黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;黑龙江八一农垦大学,大庆163319;黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;黑龙江八一农垦大学,大庆 163319【正文语种】中文【中图分类】TP273设计机械臂控制算法时既要考虑机械臂的机械结构又要考虑机械臂的工作环境对机械臂运动的影响[1],目前机械臂控制系统大多采用常规的PD控制,可以对重力进行简单补偿,但是在实际应用中外部环境对机械臂有很多干扰因素,单纯的PD 控制已经不能满足机械臂对控制精度与稳定性的要求[2]。
近年来,也有人提出将一些先进的控制算法如:神经网络控制、模糊自适应控制、迭代学习控制等应用到机械臂控制系统中,但是这些控制算法在结构或响应速度等方面还存在缺陷[3-4]。
将机械臂实现模糊PID控制,该控制方法结构简单,响应速度快,控制精度高,鲁棒性好,可以使机械臂的控制精度达到要求。
1 定向机械臂系统组成提出的机械臂控制系统主要由PC端上位机、STM32单片机、机械臂、传感器等组成,系统结构如图1所示。
基于PPF的柔性悬臂梁主动振动控制研究的开题报告一、研究背景随着科技的不断发展,振动控制技术在各个领域都得到了广泛应用,其中柔性悬臂梁的振动控制一直是研究的热点之一。
柔性悬臂梁具有结构轻巧、自然频率低等特点,但在振动过程中易受到外界干扰和激励,从而产生严重的振动问题。
因此,如何采用有效的振动控制方法对柔性悬臂梁的振动进行控制,成为了当前研究的重点之一。
在振动控制领域中,有一种较为常用的控制方法——主动振动控制。
主动振动控制是指通过内部或外部激励对振动系统进行控制,来实现对某一或某些特定振动模态的抑制或增强。
主动振动控制技术可应用于诸如机械结构、飞行器舵面、振动平台、汽车悬架以及建筑物等振动控制领域,涉及的控制方法和设备包括多种类型的传感器、执行器和控制算法等。
柔性悬臂梁的主动振动控制中,经典的方法是采用模态均衡法(Modal Balancing Method,MBM)。
然而,此种方法不仅操作复杂、维护成本高,而且在实际应用中存在着各种问题。
近年来,一种新的主动振动控制方法——基于PPF(Proportional-Plus-Feedback)算法的振动控制方法被广泛研究和应用。
其方法具有调节方便、计算简单等优点,且能够实现控制效果优良,因而赢得了广泛的关注并成为应用前景十分广阔的振动控制研究热点。
二、研究目的和意义本研究旨在探究基于PPF的柔性悬臂梁主动振动控制方法,并对其进行优化和改进。
在设计控制算法的过程中,考虑振动系统的特点,通过合理的控制器设计和参数选择,提高控制系统的稳定性和控制精度,从而实现对柔性悬臂梁的振动控制。
通过开展本研究,了解和应用基于PPF的柔性悬臂梁主动振动控制方法,能够加深对振动控制的理论和技术的理解,并为柔性悬臂梁的振动控制提供一种新的、有效的解决方案。
三、研究内容1.建立柔性悬臂梁的振动模型,分析其振动特性;2.基于PPF算法,设计柔性悬臂梁的主动振动控制系统,并对控制参数进行选择和优化;3.通过数值模拟和实验仿真,验证控制系统的有效性和可行性;4.对控制系统的实际应用效果进行评价和总结。
基于模糊控制的机械手柔性建模及其应用研究近年来,机械制造技术的发展使得机器人成为了现代工业生产的重要援助。
然而,机器人的操作精度和动作速度等方面仍存在一定的限制。
为了进一步提高机器人的操作效率和准确性,研究人员开始关注机器人柔性建模技术的发展。
机器人柔性建模技术旨在模拟机械手在执行任务时的柔性运动,解决机器人操作过程中的难点问题,如机械手运动的稳定性问题、机械手与工件之间的接触力问题等。
机械手柔性建模技术主要有两种方法:一种是基于刚度模型的刚性运动学建模法,另一种是基于模糊控制的柔性建模法。
本文将着重介绍基于模糊控制的机械手柔性建模技术。
一、模糊控制技术的基本原理模糊控制技术是一种基于模糊数学理论的控制方法,它允许使用模糊逻辑表达式来描述控制系统,相比传统的控制理论,模糊控制在非线性、不确定的控制环节具有更好的适配性。
模糊控制技术的基本原理是将输入变量与输出变量进行模糊化处理,根据一定的模糊推理规则进行推理计算,最终得到控制信号输出值。
模糊控制中常用的模糊化方法有隶属函数法和隶属度矩阵法。
其中,隶属函数法通过设定隶属度函数来描述模糊集,而隶属度矩阵法通过设定隶属度矩阵来描述模糊集。
在机械手柔性建模中,通常采用隶属度矩阵法进行模糊化处理。
二、基于模糊控制的机械手柔性建模方法基于模糊控制的机械手柔性建模方法,主要是通过模糊推理的方式来控制机械手的运动。
这种方法综合考虑了机械手的非线性、时变等多种因素,从而提高了机械手在操作过程中的稳定性和精度。
具体而言,机械手柔性建模方法可以分为三个具体步骤:1. 建立模糊控制模型-根据机械手的结构、运动学参数和工作负载等因素,建立机械手的动力学模型和模糊控制模型。
在此过程中,通常需要对机械手进行动态建模和分析。
2. 设计模糊控制算法-根据机械手的动态特性和操作需要,设计相应的模糊控制算法,包括模糊化处理、模糊推理、解模糊等步骤。
3. 实验验证-将设计好的模糊控制算法应用到机械手控制系统中,并通过实验考察模糊控制的性能。
硕士学位论文柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究(学术型)RESEARCH ON THE CONTROL STRATEGY OF VIBRATION SUPPRESION FOR THEFLEXIBLE-JOINT MANIPULATOR(Academic)任义哈尔滨工业大学2013年7月国内图书分类号:TP241.3 学校代码:10213 国际图书分类号:621 密级:公开工学硕士学位论文柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究(学术型)硕士研究生:任义导师:金明河教授申请学位:工学硕士学科:机械电子工程所在单位:机电工程学院答辩日期:2013年7月授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index: TP241.3U.D.C: 621Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON THE CONTROL STRATEGY OF VIBRATION SUPPRESION FOR THEFLEXIBLE-JOINT MANIPULATOR(Academic)Candidate:Ren YiSupervisor:Prof.Jin MingheAcademic Degree Applied for:Master of Engineering Speciality:Mechatronics Engineering Affiliation:School of Mechatronics Engineering Date of Defence:July, 2013Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论摘要谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在机器人关节系统中,以获取高减速比,对关节力矩的检测和实现关节的模块化。
基于模糊控制理论的机械振动控制研究机械振动控制是一门重要的研究领域,在实际应用中具有广泛的应用价值。
而基于模糊控制理论的机械振动控制研究,则是为了解决传统控制方法在非线性系统中应用时面临的困难而产生的一种新的控制策略。
本文将从模糊控制理论的基本原理、在机械振动控制中的应用,以及其优势和不足等方面进行探讨和阐述。
模糊控制理论是在20世纪70年代由日本学者石元丈晴提出的一种控制方法,它主要通过糊化输入和输出,并利用模糊推理的方法进行控制决策。
相对于传统的精确控制方法,模糊控制具有较强的鲁棒性和适应性,能够有效应对系统模型不确定和非线性等问题。
在机械振动控制研究中,模糊控制理论的应用可以克服传统方法在复杂非线性系统中的局限性,实现更为精确和稳定的控制效果。
模糊控制主要包括模糊化、模糊推理和解模糊三个步骤。
首先,通过模糊化将系统的输入和输出量转化为模糊集合,以此来描述量化语言常识。
其次,通过模糊推理利用模糊规则对输入和输出进行推理,得到控制规则。
最后,通过解模糊将模糊输出转化为确定性的输出,以控制对象作出相应的调整。
在机械振动控制中,模糊控制可以根据实际的振动信号和控制要求,建立相应的模糊规则和控制规则,实现对振动的有效控制。
在机械振动控制中,模糊控制的应用主要体现在两个方面:振动信号的检测与识别以及振动控制的实现。
首先,振动信号的检测与识别是机械振动控制的前提和基础。
模糊控制可以通过合适的传感器对振动信号进行实时采集和分析,提取有用的特征信息,并基于模糊推理进行振动信号的分类和识别。
其次,振动控制的实现需要对传感器采集到的振动信号进行处理并作出相应的控制决策。
模糊控制通过建立适当的模糊规则和控制规则,对控制对象的振动行为进行调整,以实现对振动的控制和抑制。
相对于传统的控制方法,基于模糊控制理论的机械振动控制具有许多优势。
首先,模糊控制方法对系统的非线性特性具有很好的适应性,能够准确描述和分析非线性系统的行为。
柔性机械臂控制技术研究随着工业自动化的不断发展,机械臂技术也得到了飞速的提升和进步。
传统的机械臂常常有一个共同问题,就是它们在执行任务时缺乏柔性和灵活性。
而柔性机械臂则不同,其独特的柔性结构使得它们可以进行复杂的操作和任务。
柔性机械臂控制技术是柔性机械臂技术发展的关键之一。
它可以帮助柔性机械臂实现各种复杂的运动和操作,满足人们不同的工业生产需求。
本文将重点介绍柔性机械臂控制技术及其应用研究。
一、柔性机械臂控制原理1.传统机械臂控制在了解柔性机械臂控制之前,我们先来看一下传统机械臂控制。
传统机械臂控制一般采用伺服控制和PID控制两种方式,其中PID控制原理相对简单,是常用的控制方式。
传统机械臂控制的核心思想是使得机械臂达到给定的位置和角度,让机械臂按照特定的轨迹完成相应的任务。
2.柔性机械臂控制柔性机械臂的特点是柔性,因此,它们的控制原理不同于传统机械臂。
柔性机械臂控制的核心思想是控制机械臂的柔性结构,以实现柔性机械臂的高灵活度和自适应性。
柔性机械臂的柔性结构需要通过接触和变形等方式来实现一定的力控制。
因此,柔性机械臂控制需要更加复杂的控制算法,如模糊控制算法、遗传算法、神经网络算法等等。
这些算法可以对柔性机械臂的力学特性进行建模、控制力的大小,实现对机械臂的高精度控制。
柔性机械臂控制技术大大提高了机械臂的自适应性和柔性性能,使得柔性机械臂得到了广泛的应用。
二、柔性机械臂控制技术的应用柔性机械臂作为一种新型机械臂,其控制技术得到了广泛的应用。
这里,我们简单介绍几个典型的应用案例。
1.医疗器械领域柔性机械臂控制技术在医疗器械领域的应用较为普遍。
例如,柔性机械臂可以被用于人体内微创手术,可以精准地控制机械臂的长度、角度、力度和稳定性等。
这种程度的操纵比传统的刀具靠人工操作要更加精细和准确,有望在治疗上提供更好的选择和帮助。
2.电子产品组装生产线柔性机械臂还可以被用于电子产品组装生产线。
由于柔性机械臂的柔性结构和智能化控制,它们可以完成电子产品中高精度操作,并且具有较高的自适应能力,甚至可以对产品进行实时监测、检测和管理。
基于PID算法的压电智能结构形状与主动振动控制张书扬;张顺琦;李靖;白晶;秦现生【摘要】压电智能结构在形状优化控制方面越来越多地应用于薄壁结构.为了使薄壁结构能够准确变形,首先根据一阶剪切变形假设建立压电智能结构机电耦合静力学平衡方程,用最小二乘的思想计算薄壁结构产生预定目标形变的最优静电压值.此外,为使结构变形快速稳定,减少驱动变形产生的额外振动,建立智能压电结构动力学模型,采用PID控制策略,实现对形状控制的主动振动抑制.最后以一多压电致动器悬臂梁为例,进行形状与振动控制仿真,得到良好控制效果.%Piezoelectric smart structures are used to thin-wall structures more and more.In order to lead to more accurate deformation, the paper used the least square method to obtain the optimal static voltages by the electro-mechanically coupled static FE model according to first-order shear deformation hypothesis.And in order to deform quickly and reduce extra vibration, the paper built the electro-mechanically coupled dynamic FE model and used PID algorithm to achieve the active vibration st, they are simulated by a multi-piezolayer cantilever beam.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2017(035)001【总页数】8页(P74-81)【关键词】压电智能结构;形状控制;多压电致动;主动振动控制;PID策略【作者】张书扬;张顺琦;李靖;白晶;秦现生【作者单位】西北工业大学机电学院,陕西西安 710072;西北工业大学机电学院,陕西西安 710072;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连116024;西北工业大学机电学院,陕西西安 710072;西北工业大学机电学院,陕西西安 710072;西北工业大学机电学院,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】O328;TB535轻量化设计使得薄壁结构在航空航天等领域应用越来越多[1],但同时也存在变形与振动的问题。
基于模糊控制的柔性耦合梁压电主动抑振研究
李冲;沈亮;方记文;钟伟
【期刊名称】《江苏科技大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2024(38)1
【摘要】弯曲振动是影响柔性梁工作性能和稳定性的重要因素,而压电主动控制是实现柔性梁抑振的途径之一.为了提高压电主动控制系统的抑振效果,利用LabVIEW 平台设计了基于模糊控制的柔性耦合梁压电主动抑振系统.根据耦合梁动力学理论,建立了压电柔性耦合梁的动力学模型,求解了柔性梁的耦合固有频率并分析其模态特性.根据模态振型,为了实现最佳抑振效果,将MFC压电片设置在振幅最大位置处,并以此设计压电振动控制系统.此外,利用LabVIEW平台和NI数据采集卡搭建了振动控制测试系统,对不同激励下柔性梁振动的抑振效果进行测试和比较.结果表明:当柔性梁的振动频率低于一阶固有频率时,梁末端处的振动位移最大.将MFC压电片设置在柔性梁末端,在连续激励振动下,通过模糊控制可以使柔性梁的振动幅值减小35%,且模糊控制的减振效果优于PID控制.
【总页数】6页(P49-54)
【作者】李冲;沈亮;方记文;钟伟
【作者单位】江苏科技大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH113.1
【相关文献】
1.基于压电模糊控制的2R柔性机械臂主动抑振实验研究
2.基于模糊控制压电抑振的2R柔性机械臂跟踪实验研究
3.基于压电陶瓷的柔性机器人主动抑振控制策略研究
4.柔性基、柔性铰空间机器人基于状态观测的改进模糊免疫混合控制及抑振研究
5.2R柔性机械臂压电抑振的模糊控制实验研究
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第 54 卷第 12 期2023 年 12 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.12Dec. 2023模糊PI 控制器与干扰观测器相结合的空间柔性机械臂的转动控制策略上官朝伟1,李小彭1, 2,李泉1,尹猛3(1. 东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳,110819;2. 宁夏理工学院 机械工程学院,宁夏 石嘴山,753000;3. 中国科学院 深圳先进技术研究院,广东 深圳,518055)摘要:为了减少外部干扰对空间柔性机械臂的系统误差,提高系统的控制精度,提出了一种模糊PI 控制器与干扰观测器相结合的转动控制策略。
首先,采用假设模态法和拉格朗日方法,建立了含有干扰力矩的空间柔性机械臂的初始动力学模型;其次,提出了分别忽略二维变形和忽略非线性项的2种简化动力学模型,并通过仿真分析对比2种简化模型的建模精度;第三,基于极点配置方法和模糊规则设计了模糊PI 控制器,并基于系统的名义模型设计了干扰观测器;最后,通过仿真分析和地面物理样机实验验证了该方法的有效性。
研究结果表明:忽略非线性项的简化模型与初始模型具有相似的建模精度,极大地降低了计算难度,能够代替初始模型进行控制系统的设计;模糊PI 控制器与干扰观测器相结合的转动控制策略能够实时调整控制器参数,观测并补偿干扰力矩引起的系统误差,有效提高系统的控制精度。
关键词:空间柔性机械臂;转动控制策略;简化动力学模型;模糊PI 控制器中图分类号:TH113.1;TP13 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7207(2023)12-4687-12Rotation control strategy for a space-flexible robotic armcombining fuzzy PI controller and disturbance observerSHANGGUAN Chaowei 1, LI Xiaopeng 1, 2, LI Quan 1, YIN Meng 3(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;2. School of Mechanical Engineering, Ningxia Institute of Science and Technology, Shizuishan 753000, China;3. Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China)Abstract: In order to reduce the systematic error of space-flexible robotic arms(SFRA) by external disturbancesand to improve the control accuracy of the system, a rotation control strategy combining fuzzy PI controller and收稿日期: 2023 −01 −15; 修回日期: 2023 −04 −10基金项目(Foundation item):辽宁省应用基础研究计划项目(2023JH2/101300159);宁夏回族自治区自然科学基金资助项目(2023AACO3371) (Project(2023JH2/101300159) supported by the Applied Basic Research Program of Liaoning Province; Project(2023AACO3371) supported by Natural Science Foundation of Ningxia Hui Autonomous Region)通信作者:李小彭,博士,教授,从事机械振动与动力学研究;E-mail :***********DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.12.008引用格式: 上官朝伟, 李小彭, 李泉, 等. 模糊PI 控制器与干扰观测器相结合的空间柔性机械臂的转动控制策略[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(12): 4687−4698.Citation: SHANGGUAN Chaowei, LI Xiaopeng, LI Quan, et al. Rotation control strategy for a space-flexible robotic arm combining fuzzy PI controller and disturbance observer[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(12): 4687−4698.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)disturbance observer was proposed. Firstly, the initial dynamics model of the SFRA containing disturbance torque was established by using the assumed mode method and the Lagrange principle. Secondly, two simplified dynamics models that ignore two-dimensional deformation and ignore non-linear terms were proposed, respectively, and the modeling accuracy of the two simplified models was compared by simulation analysis. Thirdly, a fuzzy PI controller was designed based on the pole placement method and introducing fuzzy rules, and a disturbance observer was designed based on the nominal model of the system. Finally, the effectiveness of the rotation control strategy was verified by simulation analysis and ground physical prototype experiment. The results show that the simplified model ignoring the nonlinear terms has similar modeling accuracy compared with the initial model, which greatly reduces the computational difficulty and can replace the initial model for the design of the control system. The rotational control strategy can adjust the controller parameters in real time, observe and compensate for the system error caused by the disturbance torque, and improve the control accuracy of the system effectively.Key words: space-flexible robotic arms; rotation control strategy; simplified dynamics model; fuzzy PI controller随着机器人技术与航空航天技术的发展,空间柔性机械臂被广泛应用于太空探索作业任务。
模糊整定PI参数的双柔性机械臂振动抑制
李小彭;周赛男;刘佳琪;尹猛
【期刊名称】《东北大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】机械臂伺服驱动系统中柔性因素的存在易导致机械臂输出转速波动,甚至引发系统谐振.为抑制系统转速波动,使机械臂传动系统性能稳定,使用模糊理论整定PI控制器参数的控制策略.根据假设模态法和拉格朗日动力学方程建立了考虑LuGre摩擦模型的双柔性机械臂传动系统动力学方程,并分析了动力学方程中耦合非线性项对系统传动特性的影响.使用极点配置策略确定PI控制器参数的取值范围,后根据模糊规则实时调整控制器参数,以减小伺服系统输出转速的波动,进而抑制系统谐振.最后,借助数值仿真分析和机械臂控制实验,与传统PI控制策略对比,发现本文所述控制策略可使电机端转角跟踪误差绝对值的平均值降低43.066%,柔性负载转角误差的标准差降低46.506%,更加验证了所提模糊规则整定PI控制器参数抑振方法的有效性.
【总页数】9页(P217-225)
【作者】李小彭;周赛男;刘佳琪;尹猛
【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院;中国科学院深圳先进技术研究院【正文语种】中文
【中图分类】TH113.1;TP13
【相关文献】
1.基于模糊自整定PID算法的压电柔性机械臂振动控制研究
2.柔性空间机械臂系统的模糊滑模神经网络控制及柔性振动主动抑制
3.一种基于控制参数化方法的柔性关节机械臂的最优PID参数整定方法
4.基于双变异策略差分进化算法的模糊PI 参数整定
5.采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略
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基于模糊PID的核电厂多关节机械臂运动自适应控制方法王渊渊
【期刊名称】《自动化应用》
【年(卷),期】2024(65)10
【摘要】采用常规运动控制方法时机械臂关节角度误差较大,控制效果不佳,为此,设计一种基于模糊PID的核电厂多关节机械臂运动自适应控制方法。
该方法先预处理机械臂的运动图像,然后以此为基础,获取多关节机械臂关节角度,以进一步了解机械臂的运动状态,最后建立机械臂运动隶属度函数,基于模糊PID调整自适应控制器的参数,优化核电厂多关节机械臂运动控制性能。
结果表明,设计的多关节机械臂运动自适应控制方法对5种参数组合检测的机械臂关节角度误差均小于标准,其误差最高仅为0.16°,证明该方法对核电厂多关节机械臂运动自适应控制效果更好,具有一定应用价值。
【总页数】4页(P82-84)
【作者】王渊渊
【作者单位】中国原子能科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TP241
【相关文献】
1.基于改进PID控制的三关节机械臂运动轨迹跟踪误差研究
2.基于RBF神经元网络的漂浮基空间机械臂关节运动自适应控制方法
3.一种基于控制参数化方法的柔
性关节机械臂的最优PID参数整定方法4.基于力反馈的拖拉机驾驶机器人换挡机械手模糊PID自适应控制方法研究5.基于模糊PID的保鲜柜温度自适应控制方法研究
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[6] 张照煌,叶定海,赵庆玉.岩石掘进机刀间距的确定及分析[J].工程机械,2002(11):11 12.[7] 钱志勤,滕弘飞.复杂布局设计问题的算法[J].中国机械工程,2002,13(8):72 75.[8] Sr inivas N,K alyanmoy D.M ultio bject ive Optimization U sing N ondo minated Sor ting in Genetic A lg orit hms[J].Evo lutio nar y Comput at ion,1994,2(3):221 248.(编辑 袁兴玲)作者简介:霍军周,男,1979年生。
大连理工大学机械工程学院博士研究生。
研究方向为设备布局优化、计算智能、人机结合。
史彦军,男,1973年生。
大连理工大学机械工程学院讲师、博士。
滕弘飞,男,1936年生。
大连理工大学机械工程学院教授、博士研究生导师。
柴荣峰,男,1963年生。
大连重工 起重集团有限公司起重设计研究院高级工程师。
张丽华,女,1976年生。
大连重工 起重集团有限公司起重设计研究院工程师。
基于模糊PID融合的柔性机械臂振动压电主动控制研究余跃庆 周 刚 方道星北京工业大学,北京,100022摘要:针对含有压电智能结构的柔性机械臂,提出了基于模糊PID融合控制理论的柔性机械臂振动主动控制方法。
搭建了悬臂梁和平面1R、2R柔性机械臂实验装置,并设计了相应的控制系统,通过实验实现了柔性机械臂振动的主动控制,实验结果显示,该方法可以抑制柔性机械臂振动,具有响应快、鲁棒性好等特点,且该方法不依赖于柔性机械臂动力学模型,算法简单,实时性好。
关键词:模糊PID融合控制;柔性机械臂;压电陶瓷;振动主动控制中图分类号:T P24 文章编号:1004132X(2008)15183606Active Vibration C ontrol for Flexible Piezoelectric Manipulator Based on Fuzzy-PID Fusion ControlYu Yueqing Zhou Gang Fang Daox ingBeijing Univer sity of Technolo gy,Beijing,100022Abstract:Based on fuzzy-PID fusion co ntro l theory,a m ethod o f vibratio n contro l for the flex ible manipulators w ith piezo electric smart structure w as pr esented.A cantilevered beam,experimental setups of1R and2R flexible manipulator s w ere built,and their control system s w ere dev elo ped.The vibr ation contr ol o f the all flexible manipulators w as achiev ed by ex periments.T he experimental re sults show that the pro posed method is of sim ple arithm etic and real-tim e character istics w ithout the dynamics m odel of the m anipulators and has goo d ro bustness and fast response for vibration contr ol of flex ible m anipulators.Key words:fuzzy-PID fusion control;flex ible manipulator;PZT;active vibration contro l0 引言近年来,柔性机械臂的建模和控制方法研究进展迅速,但柔性机械臂因其结构细长和质量轻的特点,在工作过程中易产生振动,如果不采取有效的措施对其振动进行控制,将影响其正常工作。
国内外研究人员对柔性机械臂的振动控制进行了大量研究[1 9]。
目前,常用的模糊PID控制大多为增益调整收稿日期:20070716基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575002);北京市自然科学基金资助项目(3062004);北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目(PH R(IH LB));北京市教委科技发展计划项目(KM200610005003)型,并联型的模糊PID控制的相关文献很少。
基于模型的控制方法计算量一般较大,在实验中很难满足实验实时性的要求;而现有研究的实验主要集中于悬臂梁的振动抑制,针对包含电机驱动的1R、2R柔性机械臂的实验很少。
本文利用应变片为传感器、压电陶瓷(PZT)作为驱动器,采用模糊控制与PID控制并联的融合控制方法,对悬臂梁、1R柔性机械臂、2R柔性机械臂的振动进行主动振动控制,并进行实验研究。
1 控制算法本文的控制系统采用模糊PID融合控制,调1836节加权因子 ,当偏差|e |较大时以模糊控制为主,|e |较小时以PID 控制为主,这样就获得了比纯模糊控制更高的稳态精度,比纯PID 控制更快的动态响应、更小的超调量。
控制的输出量相对比较平滑、阶跃较小。
模糊PID 融合控制系统的结构如图1所示。
图1模糊PID 融合控制系统结构图1.1 模糊控制器1.1.1 模糊控制器的结构本文采用通用的二维模糊控制器结构(图1)。
控制器输入为柔性机械臂预定应变值y d 与实际应变y 的偏差e 及其变化率ec ,输出为融合控制电压u 。
1.1.2 输入量的模糊化精确输入量e 和ec 需要分别乘以量化因子K e 和Kec转换到各自的论域范围E 和E C 中。
设模糊控制器输入量E 和EC 的标准论域皆为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。
将输入量论域划分成!负大∀、!负中∀、!负小∀、!零∀、!正小∀、!正中∀、!正大∀7个模糊子集,即{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB }。
各模糊子集的隶属函数采用具有良好抗干扰能力的高斯函数。
根据输入变量值和隶属函数,获得输入变量在各个模糊子集的语言值E 和EC 。
1.1.3 模糊控制规则根据控制经验总结出控制规则如下:假设应变片受拉时应变为正,当检测到应变为正且误差变化率为正时,加大压电陶瓷驱动器输出的正向电压,利用压电陶瓷的逆压电效应产生伸展,产生力矩作用于柔性臂,补偿应变片的正误差;反之,应该加大电陶瓷驱动器输出的负向电压,补偿应变片的负误差。
规则选取的总体原则是:当误差较大时,选择控制量以消除误差为主;而当误差较小时,选择控制量要防止超调,以系统的稳定性为主。
模糊控制器输出量U 的标准论域为{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。
输出变量取与输入变量一样的模糊子集,即U ={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB },同样采用高斯隶属函数。
由于E 和EC 分别定义为7个模糊子集,因此共有49条规则。
通过总结控制经验得出的模糊控制规则表如表1所示。
表1模糊控制规则表E EC N B NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PB PB PM 00NM PB PB PB PB PM 00NS PM PM PM PM 0NS NS ZO PM PM PS 0NS NM NM PSPS PS 0NM NM NM NM PM 00NM NB NB NB NB PBNMNBNBNBNB1.1.4 模糊控制器查询表模糊控制器的推理算法采用M amdani 方法,去模糊化则采用精度较高的重心法。
根据以上控制规则、模糊推理和去模糊化方法,可得到模糊控制器查询表,并在实验过程中加以修正,如表2所示。
此查询表存放于计算机存储器中。
每一个控制周期中,计算机将所采集的实测应变值e 和误差变化率ec 转换到各自的离散论域中,由表2查到相应的控制输出值U,再乘以量化因子K u 便得到模糊控制输出电压值u f 。
由于查询表可离线计算,在线控制时计算量很小,所以控制系统具有很强的实时性。
表2模糊控制器查询表E EC6543210-1-2-3-4-5-667777776442000577777664420004777766443237776644310-1-2-22666644210-1-1-2-2144443310-1-2-2-3-304433210-1-2-3-3-4-4-1332210-1-3-3-4-4-4-4-222110-1-2-4-4-6-6-6-6-32210-1-3-4-4-6-6-7-7-7-4000-1-3-4-4-6-6-7-7-7-7-5000-2-4-4-6-6-7-7-7-7-7-60-2-4-4-6-7-7-6-7-7-71.2 数字PID 控制原理数字PID 控制算法又分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法,两者各有利弊,但并无本质区别。
由于增量式算法积分截断效应差,有静态误差,故我们采用位置式数字PID 算法。
其表达式为u p (k)=K P e(k )+KI #kj =0e(j )+K D [e(k)-e(k -1)](1)1837K I=K P T/T IK D=K P T D/T式中,k为采样序号,k=0,1,2,∃;u p(k)为第k次采样时刻的计算机输出值;e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值;T为采样周期;T I为积分时间;T D为微分时间;K P为比例增益;K I为积分增益;K D为微分增益。
1.3 融合计算由图1可见,控制系统的最后输出由模糊控制u f和PID的输出u p融合而成:u=(1- )u f+ u p(2)其中,加权因子 取值范围为[0,1]。
通过实时地改变加权因子 的值,可实现对PID控制和模糊控制的加权程度的调整,充分发挥模糊控制和PID控制各自的优点。
在具体的操作过程中,可根据偏差的值来决定加权因子的大小,当偏差较大时,偏重于模糊控制,则加权因子 取较小的值;偏差较小时,偏重于PID控制,加权因子 取较大的值。
具体取值见表3,表3中偏差E为模糊语言值,加权因子 为精确值。
表3中加权因子的具体值是在实验的基础上确定的。
表3加权因子查询表E-6-5-4-3-2-1-0+0123456 00.10.30.60.911110.90.60.30.102 实验研究2.1 实验装置及控制系统实验装置为2R柔性杆振动抑制实验台,见图2。