CN104730927B - 智能人工腿的模糊pd变结构控制方法 - Google Patents

智能人工腿的模糊pd变结构控制方法 Download PDF

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Abstract

一种智能人工腿的模糊PD变结构控制方法。人工腿的关键部件是控制人工腿膝关节屈伸运动及小腿摆动的智能控制器，要求膝关节气缸内针阀位置伺服电机的控制响应快、调节时间短，且输出平稳无超调，而现有的控制方法不能兼顾其动静态特性，或者是计算量大实时性差。本发明将模糊控制和PD控制相结合，根据偏差的大小来选择控制器的结构，采用一种变结构控制方法。控制的初始阶段大偏差时采用PD控制以获得快速响应能力，在偏差较小时采用模糊控制以使系统输出平稳，无振荡和超调。该控制方法兼顾动静态特性，调节时间小于0.06秒，过渡过程平稳、无振荡和超调，稳态精度高，抗干扰能力强。

Description

智能人工腿的模糊PD变结构控制方法
技术领域
本发明涉及一种模糊PD相结合的变结构控制方法，用于智能人工腿膝关节气缸内针阀执行电机的控制。
背景技术
智能人工腿是一种高度精密机电一体化装置，它的关键部件是控制人工腿膝关节屈伸运动及小腿摆动的智能控制器。以前研制的智能人工腿，其汽缸针阀开度的控制都是采用步进电机所构成的开环系统，位置精度不高。若采用传统的PID闭环控制，则会出现振荡和超调的问题，这不但增加能耗，更重要的是会损害精密电机。现主要采用的模糊控制虽然解决了输出平稳无超调的问题，但响应速度慢且调节时间长，不能兼顾动静态特性。虽然可用模糊推理或者遗传算法等用于PID参数调节，构成可变参数的PID控制，从而改善动静态性能指标，但此类算法由于计算量大，实际使用时实时性较差。
发明内容
为了解决智能人工腿现有控制方法上存在的振荡超调或者调节时间长实时性差等方面的不足，本发明提供了一种智能人工腿的模糊PD变结构控制方法，该方法不仅可以使智能人工腿位置伺服电机的输出平稳无超调、响应快、过渡时间短、实时性好，而且鲁棒性和抗干扰能力强。
附图说明
图1是在SIMULINK中建立的模糊PD变结构控制的仿真模型。
图2是模糊PD变结构控制下闭环系统的单位阶跃响应的输出。
图3是模糊PD变结构控制下闭环系统在干扰作用下的输出。
具体实施方式
图1所示的人工腿模糊PD变结构控制仿真模型中，控制初始阶段即大偏差时采用PD控制，当偏差较小时采用模糊控制，PD控制和模糊控制的切换开关的切换阈值设为0.95；PD控制采用不完全微分形式，其传递函数为比例系数和微分系数根据Ziegler-Nichols调参方法进行整定，在实施例中Kp＝66、KD＝66*0.0101、N＝100；模糊控制采用双输入单输出的二维模糊控制器，其中输入变量为偏差及偏差的变化率，控制器输出变量为位置伺服电机的输入。
图1中模糊控制器的输入变量和输出变量的隶属函数分布如表1所示。由于控制目标为跟踪单位阶跃信号，误差e的范围需控制在[-1,1]内，故输入变量e和de的论域设为[-1,1]。输出变量u的论域为[-2,2]，输入变量和输出变量的隶属函数均为高斯型。
表2为模糊控制器的模糊推理规则。
图2所示为实施例仿真波形，仿真时间为15s，仿真结果表明该模糊PD变结构控制实施例的阶跃响应曲线响应速度快，输出非常平稳，没有振荡和超调量，整个过渡过程的调节时间ts≤0.06s(Δ＝5％)，实时性好，稳态误差ess＝0。
图3所示为实施例在加入干扰作用下的仿真波形，仿真结果表明该模糊PD变结构控制实施例不仅具有很好的动静态特性，且鲁棒性和抗干扰能力强。表1模糊控制器输入输出变量论域及其隶属函数
表2模糊控制规则表

Claims (1)

1.一种模糊PD变结构控制方法，用于智能人工腿膝关节气缸内针阀位置伺服电机的控制，采用模糊控制和PD控制相结合的方式，控制的初始阶段大偏差时采用PD控制，当偏差较小时采用模糊控制，其特征是：
a.PD控制和模糊控制的切换开关的切换阈值设置为0.95；
b.模糊控制的输入输出变量全部采用高斯型隶属函数，根据表1进行具体参数设置；
表1 模糊控制器输入输出变量论域及其隶属函数
c.模糊控制器的模糊控制规则根据表2进行设计。
表2 模糊控制规则表
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