彎曲木加工機(jī)器人模糊控制技術(shù)分析1)doc

1、彎曲木加工機(jī)器人模糊控制技術(shù)分析1） 國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2001AA422400）國家“十五”攻關(guān)子專題（2002BA515B0701）第1作者簡介：郭繼峰，男，1974年月生，東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院、研究生。郭繼峰 任洪娥 叢憲東（東北林業(yè)大學(xué) 哈爾濱150040）摘 要：針對(duì)彎曲木彎曲過程中影響加工精度的非線性因素眾多，精確數(shù)學(xué)模型難以建立的特點(diǎn)，提出彎曲木加工機(jī)器人控制的模糊智能控制方法。通過采集彎曲力的變化信號(hào)，總結(jié)彎曲經(jīng)驗(yàn)，制定控制規(guī)則，改善了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。仿真結(jié)果表明，這種控制器具有良好的抗干擾性和魯棒性，可以獲得滿意的控制結(jié)果。關(guān)鍵詞： 彎曲

2、木加工；自調(diào)整；模糊控制Analysis of Fussy Control Technology for Bending Flexural Wood RobotGuoJiFeng RenHonge CongXiandong(150040 Harbin, Northeast Forestry University)Abstract: Because there are many non-linear elements to effect on dimensional accuracy of the parts in processing of blending, so that it is di

3、fficult to set up the accurate mathematic model. This paper provides the fuzzy intelligence method to design the planar flexural wood robot control system. The design method can improve the characteristic of dynamic and static state of system with collecting bending force signal, summarizing experie

4、nce and design control rule. The experiment result showed its good robust and dynamic characteristic and proved the design to be successful.Key Words: Flexural wood bending; Self-modifying; Fuzzy control 彎曲木成型加工機(jī)器人是將機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)應(yīng)用在彎曲木成型加工中，對(duì)蒸煮壓縮過的木料進(jìn)行有目的的彎曲，以達(dá)到目標(biāo)形狀的木材加工的一種創(chuàng)新設(shè)備1。彎曲運(yùn)動(dòng)的控制采用步進(jìn)電機(jī)及傳動(dòng)

5、機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。因此，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量彎曲加工的關(guān)鍵。但是，此控制是一種包含多重非線性的系統(tǒng)，形成這種非線性的主要原因是：(1) 彎曲過程要求彎曲壓力適當(dāng)，以保持被彎曲木料不致開裂。然而彎曲過程力的變化與木料的材質(zhì)、尺寸及彎曲過程中曲率的變化有關(guān)，因此屬于非線性、時(shí)變系統(tǒng)；（2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中絲杠與螺母間存在間隙或失動(dòng)量，使得運(yùn)動(dòng)部件的位移與步進(jìn)電機(jī)脈沖指令間出現(xiàn)多值非線性關(guān)系； （3）傳動(dòng)件的加工精度和磨損使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在傳動(dòng)誤差，這是一種隨位移非線性變化的誤差。由于無法獲得此控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，因此用常規(guī)PID控制系統(tǒng)很難獲得高質(zhì)量的控制效果?；谝陨显?，本文采用自調(diào)整模糊控制方法

6、。模糊控制是一種新興的控制方法，它利用模糊化過程將精確量變?yōu)槟：兞浚萌斯そ?jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理與決策而得到控制量。自調(diào)整模糊控制技術(shù)是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于克服簡單模糊控制中因控制規(guī)則相似、參數(shù)不變而易造成控制性能不理想的弱點(diǎn)的一項(xiàng)技術(shù)。應(yīng)用此技術(shù)，不必知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，僅根據(jù)實(shí)際輸入和輸出結(jié)果并應(yīng)用模糊推理，產(chǎn)生控制信息實(shí)現(xiàn)精確控制。1 彎曲木成型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)彎曲木成型加工機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。本系統(tǒng)主要由586工業(yè)控制機(jī)、傳動(dòng)絲杠、彎曲機(jī)械手以及緩沖彈簧和WH20A型直線電位器構(gòu)成的電位器式壓力檢測傳感器等部分組成。壓力傳感器將機(jī)械手與木料間彎曲壓力轉(zhuǎn)換

7、為電信號(hào)傳送給模糊控制器，模糊工控機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理得到壓力偏差信號(hào)，并運(yùn)用模糊推理，通過接口電路PCL839向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)彎曲過程的模糊控制。彎曲木成型加工機(jī)器人的彎曲過程是由五臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)五個(gè)機(jī)械手對(duì)木料進(jìn)行有目的彎曲。為簡明起見，本文主要討論Z方向的步進(jìn)電機(jī)的控制問題。步進(jìn)電機(jī)選用四通110BYG550C，采用SH50806驅(qū)動(dòng)器。 步進(jìn)電 機(jī)控制器接口電 路PCL839模糊控制 器（586工控機(jī)）步進(jìn)電 機(jī)工作臺(tái)機(jī)械手傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)壓力傳感器圖1 彎曲木成型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 步進(jìn)電機(jī)模糊控制的實(shí)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的自調(diào)整模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖2。E為壓力偏差，EC為E的變化

8、，U為步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率控制量。Ke和Kec為誤差和誤差變化的比例因子，Ku為控制量的比例因子。Ke、Kec、Ku對(duì)輸出特性均有影響。其中Ke、Kec是通過調(diào)整語言變量的取值來改變控制器的輸出，而Ku則相當(dāng)于常規(guī)控制系統(tǒng)中比例增益的作用3。Ke對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響是Ke大，調(diào)節(jié)死區(qū)小，上升速率大。但若過大將使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，對(duì)靜態(tài)特性的影響是Ke增加，穩(wěn)態(tài)誤差將減小。Kec對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響是Kec大，反應(yīng)遲鈍，Kec小反應(yīng)快，但過小，引起超調(diào)。Kec對(duì)系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性的影響是Kec增大，穩(wěn)態(tài)時(shí)誤差變化也將減小。一般Ku加大，上升速度較快，但Ku過大，將產(chǎn)生較大超調(diào)，嚴(yán)重時(shí)影響穩(wěn)態(tài)工作。本文中

9、取Ke=2.0，Kec=8.5，Ku=0.02。以上參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，或采用類似模糊控制器推理過程動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)。如可根據(jù)類似if EAi and ECBi then KCij控制規(guī)則制定參數(shù)的控制表。積分控制器輸出為UiKiEi。它與模糊控制器的輸出控制量U疊加，并作為模糊控制器的總輸出UfUiU。這種控制器不僅可以消除極限環(huán)振蕩，而且可完全消除系統(tǒng)余差 。EiKiKe步進(jìn)電機(jī)模糊算法模糊化EUiKu1UUf絲杠KecEC 機(jī)械手d/dt壓力傳感器圖2 模糊控制系統(tǒng)示意圖為加權(quán)因子，改變的大小，意味著對(duì)誤差和誤差變化的不同重視程度，它是個(gè)可調(diào)因子,當(dāng)彎曲力誤差較大時(shí)，系統(tǒng)主要目的是盡快消

10、除誤差，此時(shí)誤差的權(quán)重系數(shù)要取大一些；當(dāng)壓力誤差較小時(shí)，為防止超調(diào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，誤差變化的權(quán)重系數(shù)取大一些。本文中取:E0.5 (1)設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制策略方便，但控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞。根據(jù)本文模糊控制器輸入變量和輸出變量的內(nèi)容選擇語言變量如下：EEc=U=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大NB,NM,NS，0，PS，PM，PB論域的大小及粗細(xì)要視具體情況而定，論域過大、過細(xì)并無助于改善系統(tǒng)的特性。相對(duì)應(yīng)的論域定義為：EEc=U=-4,-3,-2,-1,0，1，2，3，4隸屬函數(shù)選用三角

11、分布函數(shù)，其函數(shù)圖形如圖3所示。模糊變量E和Ec的隸屬度賦值表分別如表1、表2所示。模糊判決采用最大隸屬度法。模糊規(guī)則?。篣E+(1-)EC (2)，得模糊控制規(guī)則如表3所示。NBNM NSPSPMPB圖3 隸屬函數(shù)分布圖表1 模糊變量E的隸屬度賦值表432101234PB0000000PM 000000PS0000000 000000NS000000NM000000NB 0 000000表2 模糊變量Ec的隸屬度賦值表432101234PB0000000PM 000000PS0000000 000000NS000000NM000000NB 0 000000表3 模糊控制規(guī)則表U ECENBN

12、MNS0PSPMPBNBPBPBPBPMPS00NMPBPBPMPMPS0NSNSPBPMPMPS0NSNM0PBPMPS0NSNMNMPSPMPS0NSNMNMNBPMPS0NSNSNMNBNBPB00NSNMNBNBNB用Ei、ECj、和Uk分別表示定義在E、EC、U各自論域上的模糊子集，i=1,2,I;j=1,2,J;k=1,2,K。其中I、J、K分別為E、EC、U各自論域上定義的模糊子集數(shù)。模糊關(guān)系R的隸屬函數(shù)為： R(E,EC,U)=Ei(E) ECi(EC)Uk(U) (3)模糊子集： Uk(EiECj)R (4)由于模糊關(guān)系R的關(guān)系矩陣為一個(gè)三維稀疏矩陣，占用內(nèi)存較多，計(jì)算效率低

13、所以本文使用極大極小方法分別對(duì)各條控制規(guī)則進(jìn)行模糊運(yùn)算。對(duì)于一組確定的輸入E0和EC0，某條規(guī)則對(duì)應(yīng)的輸出模糊集Uij為：Uij(U)=Ei(E0) ECi(EC0)Uk(U) (5)對(duì)于總共77條控制規(guī)則，合成后的輸出模糊集為：UUij (6)解模糊是采用最大隸屬度模糊決策。3 仿真結(jié)果與結(jié)論測試系統(tǒng)選用經(jīng)蒸煮罐加工過的柞木作為測試對(duì)象，其長、寬、厚分別為80cm,3cm,2cm，目標(biāo)形狀為一半圓。采用對(duì)彎曲過程中電位器輸出電壓變化監(jiān)控的方法，初步估計(jì)此系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力。仿真結(jié)果如圖4所示。圖中()為未采用參數(shù)自調(diào)整系統(tǒng)的模糊控制性能示意曲線，()為采用參數(shù)自調(diào)整后控制性能曲線。正如設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)想的，采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制，在偏差大時(shí)，以偏大的控制量迅速減小偏差；偏差小時(shí)，以偏小的控制量防止過沖。系統(tǒng)的超調(diào)量與過渡時(shí)間都大大減小。另外需要注意的是，系統(tǒng)的各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能有很大影響，選擇不當(dāng)易使系統(tǒng)控制性能變壞，甚至可能使系統(tǒng)變?yōu)榘l(fā)散的。頁：5 ()() 圖4 系統(tǒng)模糊控制性能曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)