本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,更具體地,涉及一種氣動(dòng)肌肉的自適應(yīng)控制方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù):
隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,新型氣動(dòng)元件及應(yīng)用不斷涌現(xiàn),氣動(dòng)肌肉(pneumaticmuscle,pm)就是其中的典型代表。氣動(dòng)肌肉與生物肌肉具有類似的力學(xué)特性,并且以其低成本、高功率/質(zhì)量比、安裝簡(jiǎn)便等方面的優(yōu)勢(shì)而在醫(yī)療康復(fù)、遠(yuǎn)程控制、智能機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。但是氣動(dòng)肌肉在控制方面存在著下述的技術(shù)難點(diǎn),其具有強(qiáng)非線性特性及時(shí)變特性,難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。而現(xiàn)有技術(shù)中存在著如下不足之處:第一,傳統(tǒng)的控制方法依賴于精確的數(shù)學(xué)模型,當(dāng)氣動(dòng)肌肉的負(fù)載和行程發(fā)生變化時(shí),不能獲得較好的控制效果。第二,現(xiàn)有技術(shù)對(duì)氣動(dòng)肌肉系統(tǒng)缺乏嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析,故難以從理論上保證系統(tǒng)的控制性能。第三,盡管現(xiàn)有技術(shù)中提出了諸如滑膜控制一類的控制方法,能夠適應(yīng)系統(tǒng)特性的變化,但卻難以獲得較高的控制精度。因此如何尋找一種合適的控制策略以處理氣動(dòng)肌肉系統(tǒng)的不確定性,并使其有效的應(yīng)用于實(shí)際過程中,是亟待攻克的一大技術(shù)難關(guān)。
由此可見,現(xiàn)有技術(shù)存在控制效果差、控制性能差、控制精度低的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求,本發(fā)明提供了一種氣動(dòng)肌肉的自適應(yīng)控制方法和系統(tǒng),其目的在于將實(shí)時(shí)位移和期望軌跡的期望位移輸入自適應(yīng)控制器得到控制指令;將控制指令轉(zhuǎn)換為控制電壓,利用控制電壓控制氣動(dòng)肌肉按照期望軌跡運(yùn)行。由此解決現(xiàn)有技術(shù)存在控制效果差、控制性能差、控制精度低的技術(shù)問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,按照本發(fā)明的一個(gè)方面,提供了一種氣動(dòng)肌肉的自適應(yīng)控制方法,包括:
(1)采集氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)位移,將實(shí)時(shí)位移和期望軌跡的期望位移輸入自適應(yīng)控制器得到控制指令;
(2)將控制指令轉(zhuǎn)換為控制電壓,利用控制電壓控制氣動(dòng)肌肉按照期望軌跡運(yùn)行;
自適應(yīng)控制器為:
其中,u是控制指令,
進(jìn)一步的,自適應(yīng)控制第一增益和自適應(yīng)控制第二增益的范圍:
其中,π1是自適應(yīng)控制第一邊界系數(shù),bmax是單位質(zhì)量的最大摩擦力系數(shù),kmax是單位質(zhì)量的最大彈力系數(shù),π2是自適應(yīng)控制第二邊界系數(shù),d是在
進(jìn)一步的,單位質(zhì)量的最大摩擦力系數(shù)、單位質(zhì)量的最大彈力系數(shù)、單位質(zhì)量的最小收縮元力系數(shù)、單位質(zhì)量的最大阻尼因子系數(shù)、單位質(zhì)量的最大彈簧因子系數(shù)和單位質(zhì)量的最小摩擦力系數(shù)通過建立氣動(dòng)肌肉的三元素模型,對(duì)氣動(dòng)肌肉的三元素模型的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)得到。
按照本發(fā)明的另一方面,提供了一種氣動(dòng)肌肉的自適應(yīng)控制系統(tǒng),包括:
第一模塊,用于采集氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)位移,將實(shí)時(shí)位移和期望軌跡的期望位移輸入自適應(yīng)控制器得到控制指令;
第二模塊,用于將控制指令轉(zhuǎn)換為控制電壓,利用控制電壓控制氣動(dòng)肌肉按照期望軌跡運(yùn)行;
自適應(yīng)控制器為:
其中,u是控制指令,
進(jìn)一步的,自適應(yīng)控制第一增益和自適應(yīng)控制第二增益的范圍:
其中,π1是自適應(yīng)控制第一邊界系數(shù),bmax是單位質(zhì)量的最大摩擦力系數(shù),kmax是單位質(zhì)量的最大彈力系數(shù),π2是自適應(yīng)控制第二邊界系數(shù),d是在
進(jìn)一步的,單位質(zhì)量的最大摩擦力系數(shù)、單位質(zhì)量的最大彈力系數(shù)、單位質(zhì)量的最小收縮元力系數(shù)、單位質(zhì)量的最大阻尼因子系數(shù)、單位質(zhì)量的最大彈簧因子系數(shù)和單位質(zhì)量的最小摩擦力系數(shù)通過建立氣動(dòng)肌肉的三元素模型,對(duì)氣動(dòng)肌肉的三元素模型的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)得到。
總體而言,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,能夠取得下列有益效果:
(1)本發(fā)明將實(shí)時(shí)位移和期望軌跡的期望位移輸入自適應(yīng)控制器得到控制指令;將控制指令轉(zhuǎn)換為控制電壓,利用控制電壓控制氣動(dòng)肌肉按照期望軌跡運(yùn)行。本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器,可以在氣動(dòng)肌肉系統(tǒng)參數(shù)存在強(qiáng)的時(shí)變性和不確定性的情況下,在線自適應(yīng)地估計(jì)參數(shù),使氣動(dòng)肌肉系統(tǒng)能夠主動(dòng)適應(yīng)時(shí)變性和不確定性,進(jìn)而改善控制效果、提升控制性能、提高控制精度。
(2)優(yōu)選的,本發(fā)明限制自適應(yīng)控制第一增益和自適應(yīng)控制第二增益的范圍,在改善控制效果、提升控制性能、提高控制精度的同時(shí)保證了氣動(dòng)肌肉的穩(wěn)定性。
(3)優(yōu)選的,本發(fā)明通過建立氣動(dòng)肌肉的三元素模型,對(duì)氣動(dòng)肌肉的三元素模型的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),進(jìn)而優(yōu)化對(duì)自適應(yīng)變量的估計(jì)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氣動(dòng)肌肉控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖;
圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的氣動(dòng)肌肉控制原理框圖;
圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氣動(dòng)肌肉的自適應(yīng)控制方法的流程圖;
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的彈力系數(shù)的辨識(shí)結(jié)果圖;
圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的收縮元力系數(shù)的辨識(shí)結(jié)果圖;
圖6是本發(fā)明實(shí)施例氣動(dòng)肌肉充氣狀態(tài)下的摩擦力系數(shù)的辨識(shí)結(jié)果圖;
圖7是本發(fā)明實(shí)施例氣動(dòng)肌肉放氣狀態(tài)下的摩擦力系數(shù)的辨識(shí)結(jié)果圖;
圖8是本發(fā)明實(shí)施例仿真中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的跟蹤性能在0-12s的比較示意圖;
圖9是本發(fā)明實(shí)施例仿真中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的跟蹤性能在52-68s的比較示意圖;
圖10是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的低頻跟蹤性能在0-12s的比較示意圖;
圖11是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的低頻跟蹤性能在52-68s的比較示意圖;
圖12是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的高頻跟蹤性能比較示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
本發(fā)明首先提供了一種氣動(dòng)肌肉控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示,其組成部分有:拉線位移傳感器1、負(fù)載2、氣動(dòng)肌肉3、空氣壓縮機(jī)4、比例閥5、ni控制器6、直流電源7、顯示器8。該平臺(tái)采用festo公司生產(chǎn)的氣動(dòng)肌肉festomaxm-20-aa,其一端固定在平臺(tái)的支架上,而另一端為活動(dòng)端,與負(fù)載2相連。氣動(dòng)肌肉充氣時(shí)直徑增大,長(zhǎng)度減小;反之放氣時(shí)直徑減小,長(zhǎng)度增加。空氣壓縮機(jī)4提供整個(gè)系統(tǒng)的氣壓輸入,通過比例閥5的調(diào)節(jié),可以控制實(shí)際輸入到氣動(dòng)肌肉3中的氣壓量。拉線位移傳感器1用于測(cè)量氣動(dòng)肌肉3活動(dòng)端的位移,ni控制器6通過數(shù)據(jù)采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集位移信號(hào),控制器利用得到的反饋信號(hào),根據(jù)自適應(yīng)伺服控制算法計(jì)算出控制量,再通過采集卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出實(shí)際控制電壓給比例閥5,由比例閥5輸出氣壓控制氣動(dòng)肌肉的動(dòng)作。
對(duì)于上述氣動(dòng)肌肉3的控制原理框圖如圖2所示,控制器發(fā)出電壓信號(hào)通過ni模擬輸出面板輸出至比例閥,從而調(diào)節(jié)進(jìn)入到氣動(dòng)肌肉的氣壓進(jìn)而改變氣動(dòng)肌肉的收縮量,氣動(dòng)肌肉的收縮量即活動(dòng)端的位移通過拉線位移傳感器反饋到ni數(shù)據(jù)采集板,將反饋量與給定輸入量進(jìn)行比較,不斷修正偏差而實(shí)現(xiàn)對(duì)給定輸入的跟蹤。
上述的ni控制器6的信號(hào)采集及激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生是基于labview的開發(fā)環(huán)境,labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱,也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。使用labview編程就如同堆積木一樣簡(jiǎn)單,既使沒有編程經(jīng)驗(yàn)的人也可以在很短的時(shí)間內(nèi)編制出界面美觀、功能強(qiáng)大的自動(dòng)化程序。程序員無需知道每個(gè)圖標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),只需知道其具體功能,并按照一定的邏輯順序?qū)⑺鼈冇镁€連接起來,就能完成一路模擬量數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。
ni模擬輸出面板使用了ni控制器6的模擬輸出功能,ni數(shù)據(jù)采集板使用了ni控制器6的數(shù)據(jù)采集功能。
建立三元素模型:
其中,ys,
b(p)=α0-α1p
k(p)=β0-β1p
f(p)=γ0+γ1p
式中,α0為氣動(dòng)肌肉的阻尼因子第一系數(shù),α1為氣動(dòng)肌肉的阻尼因子第二系數(shù),β0為氣動(dòng)肌肉的彈簧因子第一系數(shù),β1為氣動(dòng)肌肉的彈簧因子第二系數(shù),γ0為氣動(dòng)肌肉的收縮力因子第一系數(shù),γ1為氣動(dòng)肌肉的收縮力因子第二系數(shù)。
預(yù)設(shè)一個(gè)氣壓值p0,設(shè)置氣動(dòng)肌肉平衡點(diǎn)ys=y(tǒng)0,根據(jù)平衡條件,有f(p0)-k(p0)ys=mg;
以設(shè)定的平衡點(diǎn)作為基準(zhǔn),令控制指令u=δp=p-p0,實(shí)時(shí)位移y=y(tǒng)s-y0,
量的摩擦力系數(shù),k為單位質(zhì)量的彈力系數(shù),重構(gòu)三元素模型:
b=(α0-α1p0)/m,k=(β0-β1p0)/m,α=α1/m,β=β1/m,γ=(γ1+β1y0)/m;
對(duì)于重構(gòu)的三元素模型,令第一狀態(tài)變量x1=y(tǒng),
對(duì)步驟狀態(tài)空間表達(dá)式進(jìn)行坐標(biāo)變換
我們期望氣動(dòng)肌肉能夠跟蹤給定的期望軌跡,這一條件可描述為:
可從狀態(tài)空間表達(dá)式中解出所需控制輸入,即
對(duì)u進(jìn)行線性化:
u=μtζ+o(ζ[2])
其中,μ為線性化系數(shù),μ=[μ1,μ2,μ3]t,
根據(jù)u線性化后的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器如下:
其中,
如圖3所示,一種氣動(dòng)肌肉的自適應(yīng)控制方法,包括:
(1)采集氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)位移,將實(shí)時(shí)位移和期望軌跡的期望位移輸入自適應(yīng)控制器得到控制指令;
(2)將控制指令轉(zhuǎn)換為控制電壓,利用控制電壓控制氣動(dòng)肌肉按照期望軌跡運(yùn)行;
自適應(yīng)控制器為:
其中,u是控制指令,
進(jìn)一步的,自適應(yīng)控制第一增益和自適應(yīng)控制第二增益的范圍:
其中,π1是自適應(yīng)控制第一邊界系數(shù),bmax是單位質(zhì)量的最大摩擦力系數(shù),kmax是單位質(zhì)量的最大彈力系數(shù),π2是自適應(yīng)控制第二邊界系數(shù),d是在
進(jìn)一步的,單位質(zhì)量的最大摩擦力系數(shù)、單位質(zhì)量的最大彈力系數(shù)、單位質(zhì)量的最小收縮元力系數(shù)、單位質(zhì)量的最大阻尼因子系數(shù)、單位質(zhì)量的最大彈簧因子系數(shù)和單位質(zhì)量的最小摩擦力系數(shù)通過建立氣動(dòng)肌肉的三元素模型,對(duì)氣動(dòng)肌肉的三元素模型的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)得到。
進(jìn)一步的,為了比較自適應(yīng)伺服控制算法與其他控制算法的性能,本發(fā)明還對(duì)上述三元素模型中的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。如圖4所示,k(p)與p之間呈近似分段線性關(guān)系,如圖5所示,f(p)與p之間呈近似線性關(guān)系。而對(duì)摩擦力系數(shù)b(p)的辨識(shí)需要在動(dòng)態(tài)過程中進(jìn)行,值得注意的是,b(p)與p之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,并且對(duì)于相同的氣壓p,不同負(fù)載對(duì)應(yīng)著不同的摩擦力系數(shù)b(p),這意味著摩擦力系數(shù)b(p)不是簡(jiǎn)單地與氣壓p相關(guān),可能存在著更為復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。但考慮到總體來說,摩擦力系數(shù)的值較小,最終依然采用了一條擬合的直線和其可能產(chǎn)生的誤差邊界來描述b(p)與p之間的關(guān)系。b(p)與p之間的關(guān)系如圖6和圖7所示,由圖可見,b(p)與p的關(guān)系與氣動(dòng)肌肉處于充氣狀態(tài)還是放氣狀態(tài)有關(guān)。從辯識(shí)過程可知?dú)鈩?dòng)肌肉系統(tǒng)參數(shù)的不確定性和強(qiáng)非線性。
接著,氣動(dòng)肌肉系統(tǒng)參數(shù)的不確定性范圍計(jì)算如下:
713≤b≤1024
5.2×103≤k≤6.1×103
6.44×10-5≤|α|≤9.1×10-4
0≤|β|≤0.061
5.38×10-4≤γ≤0.0024
b的單位是
我們分別通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明中的自適應(yīng)控制器對(duì)給定正弦輸入信號(hào)的跟蹤能力,并將自適應(yīng)控制器adaptive與傳統(tǒng)pid控制器,其他非自適應(yīng)控制器non-adaptive進(jìn)行了比較,圖8是本發(fā)明實(shí)施例仿真中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的跟蹤性能在0-12s的比較示意圖;圖9是本發(fā)明實(shí)施例仿真中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的跟蹤性能在52-68s的比較示意圖;在仿真中,自適應(yīng)控制器的跟蹤誤差為0.03mm,而pid控制器和非自適應(yīng)控制器的跟蹤誤差分別為0.75mm,0.013mm。圖10是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的低頻跟蹤性能在0-12s的比較示意圖;圖11是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的低頻跟蹤性能在52-68s的比較示意圖;圖12是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)中自適應(yīng)控制器、非自適應(yīng)控制器、pid控制器的高頻跟蹤性能比較示意圖。在實(shí)驗(yàn)中做了更為細(xì)致的比較,分別比較了三種控制器對(duì)低頻信號(hào)和高頻信號(hào)的跟蹤能力。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,自適應(yīng)控制器的跟蹤能力優(yōu)于其他兩種控制器。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。