文档介绍：湖南师范大学
硕士学位论文
机械臂液压驱动系统设计与模糊免疫PID控制策略研究
姓名:廖亦凡
申请学位级别:硕士
专业:电路与系统
指导教师:刘忠
20060401
摘要液压驱动系统的应用越来越广泛,其驱动的对象越来越复杂,因此人们对其性能要求也就越来越高。本文在对国内外现有的机械臂液压驱动系统设计理论和控制方式进行了综合分析后,研究了基于高速开关阀先导控制的新型机械臂液压驱动系统。文中对新型液压驱动系统工作原理和结构方式进行了详细的分析,建立了该系统数学模型并对其工作性能与工作可靠性进行了充分地论证。与目前常用的电机驱动系统比较,新型液压驱动系统展现出了其在响应速度、驱动力矩的大小、自重载荷比等方面的技术优势。针对新型液压驱动系统这一类同时存在不确定参数和不确定非线性模型的动力学系统,作者利用模糊算法的强鲁棒性以及根据人类免疫系统而设计的免疫算法优良的全局寻优能力,提出了模糊免疫刂品椒ǎ并对其进行了严格的理论推导和稳定性证明,通过计算机的仿真实验验证了结论的正确性。根据模糊免疫刂评砺郏杓屏嘶单片微机控制芯片的高性能模糊免疫刂破鳌T谀:庖逷控制器的控制下,新型液压驱动系统具有了高响应速度、无超调和自适应能力强等新特征。上述研究成果形成了一个较完整的机械臂液压驱动系统为基础的设计与控制方法研究体系,对目前工程上常用机械臂液压驱动系
统的设计、制造和控制具有较大的理论价值和现实意义。关键词:液压驱动系统,模糊免疫咚倏9胤В遄胺В械臂
一’’瓵,.—甌甌瓹,,.,
琺篽.’,琺甌.—,.
第一章绪论国内外对机械臂液压驱动系统的研究现状及存在的问题电接口方便。但电机驱动相对液压驱动来说有许多不足之处:①成本机器人是近几十年来迅速发展起来的高新技术密集的产品。在发达国家,工业机器人已经得到广泛的应用,这是因为应用机器人是提高生产过程自动化、改善劳动环境条件、提高产品质量和生产效率的一种非常有效的手段,亦是技术革命的重要内容之一【。我国在跟踪世界高科技发展的苹校ɑ魅肆形W远煊虻牧礁隹蒲项目之一。工业机器人的一个重要组成部分机械臂的驱动与控制是当今学术界和工业界的一大研究重点和热点。现今对机械臂驱动方法大致有以下几类。电机驱动对柔性机械臂的驱动,由于柔性机械臂本身的复杂性,使得研究者们大都采用电机驱动,尤其是步进电机,因为其控制相对简单,机较高;②电机必须装于机械臂架的关节处,这就增加了机械臂的白重;③驱动力较小,不能满足驱动扭矩要求高的系统。④承载能力较低【羽。液压驱动同机械传动、电气传动比较,液压驱动执行机构具有机械强度高、机械臂液压驱动系统设计与模糊免疫刂撇呗匝芯
的应用吼但应用液压驱动系统,将遇到许多困难。原因是:①液压驱动系统要比采用步进电机困难得多,控制方法也复杂得多;④液压驱动系速度快、较小的尺寸一功率比,可以提供较大的驱动力和驱动扭矩,同时能够省去中间动力减速器,从而消除了齿轮间隙和磨损;加上液压缸和液压马达的结构简单,价格低廉,因而使它在工业机器人,特别是大型机器人,机械手的往复运动装置和旋转装置上都获得了广泛统与电机驱动系统不同,液压缸不能置于连杆关节处,其位移与关节转动角是非线性关系。②多连杆之间的相互耦合,使控制系统成为一个多输入一多输出的非线性系统,相对度笥,增加了控制器设计的难度。③要设计一个便于微机控制的液压系统与柔性臂之间的耦合是非线性、强耦合性的,精确建模和控制都很困难。不管国内还是国外,现有对柔性臂的驱动的研究,大都针对电机驱动,采用液压驱动的研究,工作还相当薄弱。因此对液压驱动方法的研究对于液压驱动的柔性机械臂推广应用有重要意义。由于现代控制的数字化,传统的液压驱动方法不能满足现代为实现利用微机控制和精确控制的需要。为了实现与微机良好地接口,实现工程机械的机器人化,以及对柔性机械臂这样高度非线性系统的精确控制,各国学者和工程人员采用了很多新颖的方法,例如采用高性能的电磁阀驱动液压缸来控制机械臂,实现电液接口。但其所用的电流电号是模拟信号,还是难于用计算机精确控制。现在最具成效的是在高速开关阀被硕士学位论文
今后液压驱动系统研究方向成功研究之后,高速开关阀采用的是藕牛且恢质中藕拧这种数字信号从微机中出来经放大之后,可以直接驱动高速开关阀,这就实现了液压系统与微机良好的接口。如陈宝江,曹泛【坷玫テ机直接控制高速开关阀驱动液压缸,并在另一篇文章中讨论了高速开关阀对液压缸控制时的几种典型组合【。但高速开关阀出髁亢苄。不能满足大型液压系统的需要。为解决这一矛盾,杨襄璧,李光,刘忠利用高速开关阀作为滑阀的先导阀来控制液压缸【。但这种伺服控制也有其缺陷:一是滑阀的阀芯惯性大,因此响应速度不会很快;二是滑阀的抗污染能力不强,容易被卡死叼。近代液压伺服控制的特点需考虑~:肪