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)

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，推導其數學模型，并運用PID(proportional-integral-differential)控制和自整定模糊PID控制方法，設計其控制器.通過Matlab和LabVIEW的混合編程,建立人機對話界面，同時搭建控制系統的試驗平臺.通過仿真分析和試驗測試，結果表明PID控制和自整定模糊PID控制都能實現柔性定位，但后者具有更高的位置控制精度.

關鍵詞：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構簡單、平穩、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用.但是隨著微電子技術和控制技術的發展，對氣動機械手運動位置控制方式和精度的要求越來越高，而氣動技術本身存在一些難以克服的缺點，難以建立其精確的數學模型，所以采用一般的控制方式，很難實現氣動機械手高精度柔性位置控制,對雙缸和多缸同步協調控制就更難實現了.本文通過對經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，實現較好的柔性定位.

1試驗系統描述

圖1為氣動機械手的結構圖，其中，擺動氣缸控制其旋轉，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，薄型標準氣缸實現其水平方向的伸縮，氣動手指氣缸實現對物體的抓取.

圖1　氣動機械手的結構圖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，該控制系統工作原理如圖2所示.

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

氣動位置控制系統主要由6大部分組成：工控機(控制計算機)；中泰公司的PCI-8333型數據采集卡；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；直滑式導電塑料位移傳感器.系統工作中，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，通過這種調節逐漸使電壓偏差為零；若U

該控制系統在建立數學模型時，做了以下假設[1]：忽略氣動控制系統的內泄與外泄；認定系統的工作介質近似為理想氣體，具有理想氣體的一切特性；氣體的內能和動能忽略不計；氣動控制系統中的工作介質流動為等熵絕熱過程；氣源壓力和大氣壓力恒定.通過對系統進行分析，運用自動控制理論、熱力學和力學的相關知識，建立了系統的數學模型，得到氣動系統傳遞函數G(S)為

(1)

從式(1)看出該系統為三階系統.在Matlab中對傳遞函數穩定性分析時，發現該傳遞函數有一個極點在原點上，則該系統不穩定.同時氣動系統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，導致建立的數學模型不精確，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，不需要精確的數學模型，就可以實現精確的位置控制.

2自整定模糊PID控制器設計

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調節PID參數的模糊規則

由于PID參數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系，這種非線性關系無法用清晰的數學模型來表示，但是可以用模糊語言表示出來，經過數據整理和試驗總結，發現參數Δkp，Δki，Δkd與E和EC有如下關系[4-5].

2.3輸入輸出量的模糊化及隸屬函數的確定

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

2.4模糊控制規則的創建

在建立本控制系統的模糊控制規則時選用“IF a AND b THEN c”的形式. 根據自整定模糊PID控制的設計思想可得kp，ki和kd模糊控制規則如表1～3所示[8].

表1　kp的模糊控制規則表

表2　ki的模糊控制規則表

表3　kd的模糊控制規則表

2.5系統的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). 系統的PID控制仿真模型、自整定模糊PID控制系統仿真模型以及Fuzzy-PID子系統結構[9]如圖4～6所示.

圖4　PID控制系統仿真模型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子系統結構圖Fig.6　Fuzzy-PID subsystem structure

對仿真模型系統輸入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、更快的響應速度以及較好的穩定性，是一種性能優異的控制器.

圖7　系統仿真結果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建程序的編程化語言，在數據采集和控制界面上有很強的功能，而Matlab在數據分析上具有很強大的計算能力和直觀的仿真環境.本文試驗通過在Matlab中完成控制算法和調用LabVIEW的接口，建立人機對話界面，完成軟件系統的開發和試驗的在線監控與監測，試驗中所用到的階躍信號條件，幅值為50mm,氣源壓力為0.6MPa. 試驗結果分別如圖8和9所示.從試驗結果分析可知，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控制系統的響應速度得到了很大的改善，穩定性也得到了提高.

(a) 響應曲線

(b) 誤差曲線

(a) 響應曲線

(b) 誤差曲線

4結語

本文研究的基于比例閥控缸的氣動位置控制系統，可以實現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控制奠定基礎.

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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