王偉偉，陳冰冰, 舒　嫚

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

基于比例閥控缸的氣動機械手柔性定位

王偉偉，陳冰冰, 舒嫚

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

摘要：以氣動機械手水平運動氣缸的柔性定位為對象，建立基于比例閥控缸的氣動伺服系統(tǒng)，推導(dǎo)其數(shù)學模型，并運用PID(proportional-integral-differential)控制和自整定模糊PID控制方法，設(shè)計其控制器.通過Matlab和LabVIEW的混合編程,建立人機對話界面，同時搭建控制系統(tǒng)的試驗平臺.通過仿真分析和試驗測試，結(jié)果表明PID控制和自整定模糊PID控制都能實現(xiàn)柔性定位，但后者具有更高的位置控制精度.

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

氣動機械手因具有結(jié)構(gòu)簡單、平穩(wěn)、無污染、價格低廉、易于維護等特點，越來越多地受到社會的重視,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，對氣動機械手運動位置控制方式和精度的要求越來越高，而氣動技術(shù)本身存在一些難以克服的缺點，難以建立其精確的數(shù)學模型，所以采用一般的控制方式，很難實現(xiàn)氣動機械手高精度柔性位置控制,對雙缸和多缸同步協(xié)調(diào)控制就更難實現(xiàn)了.本文通過對經(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，實現(xiàn)較好的柔性定位.

1試驗系統(tǒng)描述

圖1為氣動機械手的結(jié)構(gòu)圖，其中，擺動氣缸控制其旋轉(zhuǎn)，中型標準氣缸控制其垂直升降，小型標準氣缸對升降起輔助作用，薄型標準氣缸實現(xiàn)其水平方向的伸縮，氣動手指氣缸實現(xiàn)對物體的抓取.

圖1　氣動機械手的結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of the pneumatic manipulator

本文以氣動機械手上的薄型標準氣缸位置運動為研究對象，建立基于比例閥控缸的氣動位置控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示.

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

氣動位置控制系統(tǒng)主要由6大部分組成：工控機(控制計算機)；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，當給定的控制信號U大于傳感器反饋信號U1時，比例閥會左端接通，使氣缸向右移動，從而使反饋信號變大，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)學模型時，做了以下假設(shè)[1]：忽略氣動控制系統(tǒng)的內(nèi)泄與外泄；認定系統(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)能和動能忽略不計；氣動控制系統(tǒng)中的工作介質(zhì)流動為等熵絕熱過程；氣源壓力和大氣壓力恒定.通過對系統(tǒng)進行分析，運用自動控制理論、熱力學和力學的相關(guān)知識，建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型，得到氣動系統(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中對傳遞函數(shù)穩(wěn)定性分析時，發(fā)現(xiàn)該傳遞函數(shù)有一個極點在原點上，則該系統(tǒng)不穩(wěn)定.同時氣動系統(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控制方法進行控制，不需要精確的數(shù)學模型，就可以實現(xiàn)精確的位置控制.

2自整定模糊PID控制器設(shè)計

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PID控制器和自整定模糊PID控制器的控制性能進行比較，利用Matlab/Simulink對控制對象進行自整定模糊PID控制仿真和PID 控制仿真，控制對象為式(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

對仿真模型系統(tǒng)輸入8 mm的階躍信號，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

LabVIEW軟件是一種用圖標代替文本而創(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的功能，而Matlab在數(shù)據(jù)分析上具有很強大的計算能力和直觀的仿真環(huán)境.本文試驗通過在Matlab中完成控制算法和調(diào)用LabVIEW的接口，建立人機對話界面，完成軟件系統(tǒng)的開發(fā)和試驗的在線監(jiān)控與監(jiān)測，試驗中所用到的階躍信號條件，幅值為50mm,氣源壓力為0.6MPa. 試驗結(jié)果分別如圖8和9所示.從試驗結(jié)果分析可知，當輸入階躍信號時，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位置控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)氣動機械手的柔性定位，通過仿真分析和試驗測試，得出氣動機械手運用自整定模糊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：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，研究方向為機電液/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：TP 273

文獻標志碼：A