CN107605608A

CN107605608A - 用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法

Info

Publication number: CN107605608A
Application number: CN201710764646.0A
Authority: CN
Inventors: 柴汇; 孙晓波; 杨琨; 李贻斌; 荣学文; 田国会; 李彬
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: CN107605608B

Abstract

一种用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，采用带有前馈控制的PI控制器进行PI控制方法，其中PI控制器的输出通过模糊控制器进行模糊逻辑自动调整，步骤如下：(1)根据发动机给定转速V_ref和发动机实际转速V，计算出转速误差e_k和转速误差的变化量de；(2)PI控制器根据转速误差e_k和转速误差变化率de/dt，使用分段式增量式PI算法计算输出u_{k_fb}；(3)输出液压油流量的变化量ΔQ；(4)模糊控制器根据转速误差e_k和液压油流量的变化量ΔQ，经模糊逻辑计算输出u_{k_ff}，u_{k_fb}和u_{k_ff}的差u_{k_fb}‑u_{k_ff}作为最终输出，控制汽油发动机的转速。本发明易于实现，且参数调节速度快，保险证系统流量始终维持稳定，具有良好的动态和静态性能。

Description

用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，属于汽油机驱动液压系统的控制技术领域。

背景技术

发动机控制常见于汽车的控制系统以及挖掘机的应用。汽车中采用的电控单元通过控制电喷单元控制发动机转速，然而由于其发动机尺寸过大，故不适于机器人应用，而且对汽车的驱动和液压系统的驱动也不同。挖掘机中驱动液压系统的通常为柴油机，而机器人上使用的为汽油机。

中国专利文献201310264575X公开的《汽油发动机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统及控制方法》，包括控制器，以及与控制器连接的读取液压系统油面的油面电位计、读取液压系统液压油温度的温度传感器、读取液压系统油压信号的压力传感器，控制器通过CAN接口与上位机系统通信。上述系统的控制器通过信号控制发动机的启动与熄火以及液压系统换向阀的油口接通或断开，控制器通过舵机调节节气门开度，实现发动机转速的恒定，并且可以通过传感器实时监测系统的工作情况，但是机器人系统的流量需求增大之后，需要更换更大功率的发动机，原来的控制方法并不能满足大功率发动机的转速控制；且测速复杂，需要对发动机的输出轴进行改造，增加了装配难度。

CN106870181A公开的《腿足式机器人液压系统汽油发动机转速伺服控制方法》，采用带有前馈控制的PI方法，其中比例和积分系数通过模糊逻辑自动调整，具体步骤如下：

(1)根据发动机设定转速v_ref和发动机实际转速v_fed，计算出转速误差e和转速误差的变化率ec,其中e＝v_fed-v_ref，ec＝(v_fed-v_ref)/T，T为控制周期0.02秒；

(2)上述转速误差e和转速误差的变化率ec经过模糊逻辑计算之后，输出比例系数增量△k_p和积分系数增量△k_i；

(3)最终，比例系数k_p＝k_p0+△k_p，积分系数k_i＝k_i0+△k_i；

(4)采用增量式PI算法计算出油门开度S₁，S₁＝S_{1_old}+k_p*ec+k_i*e，其中S_{1_old}为上一执行周期中的油门开度；

(5)机器人运动过程中的液压油流量变化△Q由前馈控制进行补偿，由液压油流量变化引起的油门开度变化为S₂＝k_Q*△Q，其中k_Q＝27.7min/L；

(6)最终油门开度S_f＝S₁+S₂，油门开度以PWM(脉冲宽度调制)的形式控制舵机旋转，通过油门线控制发动机节气门的开度来控制进气量，最终控制发动机转速。

上述方法，虽然通过PI方法和模糊逻辑自动调整最终控制发动机转速，但是参数调节速度较慢，不能更快地使系统趋于稳定，调节效果欠佳。

因此，有必要设计一种实现机器人液压系统汽油发动机转速的参数调节速度更快、能够更快地使系统趋于稳定的控制方法。

发明内容

针对现有机器人液压系统汽油发动机控制技术存在的不足，提供一种用于液压驱动腿足式机器人的实现其液压系统汽油发动机转速的良好的静态和动态性能的控制方法。

本发明的用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，采用带有前馈控制的PI控制器进行PI(比例和积分)控制方法，其中PI控制器的输出通过模糊控制器进行模糊逻辑自动调整，具体步骤如下：

(1)根据发动机给定转速V_ref和发动机实际转速V，计算出转速误差e_k和转速误差的变化量de，其中e_k＝V-V_ref，de＝e_k-e_k-1，e_k-1为控制系统执行上一次运算时的转速误差e_k；

(2)PI控制器根据转速误差e_k和转速误差变化率de/dt，使用分段式增量式PI算法计算输出u_{k_fb}，其中u_{k-1_fb}为执行上一次PI运算时计算出的u_{k_fb}，K_{P_small}和K_{P_large}分别为转速误差的绝对值小于等于300以及转速误差的绝对值超过300时的比例增益，K_{I_small}和K_{I_large}分别为转速误差的绝对值小于等于300以及转速误差的绝对值超过300时的积分增益；

(3)通过机器人运动速度的变化量ΔV经过K_vQ增益后输出液压油流量的变化量ΔQ，K_vQ＝12.48；

(4)模糊控制器根据转速误差e_k和液压油流量的变化量ΔQ，经模糊逻辑计算输出u_{k_ff}，u_{k_fb}和u_{k_ff}的差u_{k_fb}-u_{k_ff}作为最终输出，发送PWM(脉冲宽度调制)信号给舵机，通过舵机的旋转操控油门线的松紧，控制汽油发动机的油门开度，进而控制汽油发动机的转速；

模糊控制器由模糊接口、模糊推理机、模糊规则表和解模糊接口组成，其输入为转速误差e_k和液压油流量变化量ΔQ，模糊接口利用三角隶属度函数将e_k和ΔQ转化成模糊变量NB，NS，ZO，PS和PB，之后模糊推理机利用u_{k_ff}的模糊规则表将输入模糊集合映射到输出模糊集合，最后解模糊接口采用三角隶属度函数和中心平均解模糊的方法计算u_{k_ff}。

u_{k_ff}模糊规则表：

e_k和ΔQ的三角隶属度函数表达式如下，其中x为e_k或ΔQ，e_k的隶属度函数中n＝300，ΔQ的隶属度函数中n＝15；

u_{k_ff}的隶属度函数表达式如下，其中n＝u_{k_ff，max}＝500：

相比于现有方法，本发明易于实现，且参数调节速度快，能更快的使系统趋于稳定，调节效果好。在给定转速为4500rpm，模糊逻辑中的u_{k_ff，max}被设定为500时，机器人由静止转为运动状态时转速下降180rpm，由运动状态转为静止状态时转速上升100rpm，转速波动有了大幅的下降。同时，转速的调节速度很快，大约1s内系统即可达到稳定。

本发明具有以下特点：

1.采用前馈控制对机器人运行过程中的流量突变进行补偿，减小发动机的转速波动，保证系统流量始终维持稳定。

2.在分段式PI算法的基础上加入模糊控制的方法，对发动机的油门开度进行调节，可以满足控制系统的要求，使得控制系统具有良好的动态和静态性能。

附图说明

图1为本发明的控制方法原理框图。

图2为e_k和ΔQ的三角隶属度函数示意图。

图3为u_{k_ff}的三角隶属度函数示意图。

具体实施方式

本发明的用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，采用带有前馈控制的PI控制器进行PI(比例和积分)控制方法，并在此基础上引入模糊控制的方法，PI控制器的输出通过模糊控制器进行模糊逻辑自动调整，两种方法互相结合控制汽油发动机的油门开度，从而实现汽油发动机转速的控制。

如图1，本发明汽油发动机转速控制方法的具体步骤如下：

(1)根据发动机给定转速V_ref和发动机实际转速V，计算出转速误差e_k和转速误差的变化量de，其中e_k＝V-V_ref，de＝e_k-e_k-1，e_k-1为控制系统执行上一次运算时的转速误差e_k。

(2)PI控制器根据转速误差e_k和转速误差变化率de/dt，使用分段式增量式PI算法计算输出u_{k_fb}，其中u_{k-1_fb}为执行上一次PI运算时计算出的u_{k_fb}，K_{P_small}和K_{P_large}分别为转速误差的绝对值小于等于300以及转速误差的绝对值超过300时的比例增益，K_{I_small}和K_{I_large}分别为转速误差的绝对值小于等于300以及转速误差的绝对值超过300时的积分增益。

(3)机器人由于运动速度的变化ΔV产生液压油流量的变化ΔQ，需对此进行补偿，这里采用前馈控制的方法。通过机器人运动速度的变化量ΔV经过K_vQ(K_vQ＝12.48)增益后输出液压油流量的变化量ΔQ。

(4)模糊控制器根据转速误差e_k和液压油流量的变化量ΔQ，经模糊逻辑计算输出u_{k_ff}，u_{k_fb}和u_{k_ff}的差u_{k_fb}-u_{k_ff}作为最终控制器的输出，发送PWM信号给舵机，通过舵机的旋转操控油门线的松紧，控制汽油发动机的油门开度，进而控制汽油发动机的转速。

模糊控制器由模糊接口，模糊推理机，模糊规则表和解模糊接口组成，其输入为转速误差e_k和液压油流量变化量ΔQ，模糊接口利用三角隶属度函数将e_k和ΔQ转化成模糊变量NB，NS，ZO，PS和PB，之后模糊推理机利用u_{k_ff}的模糊规则表将输入模糊集合映射到输出模糊集合，最后解模糊接口采用三角隶属度函数和中心平均解模糊的方法计算u_{k_ff}。

u_{k_ff}模糊规则表

各图中参数如下，e_k，max＝300rpm，ΔQ_max＝15L/min，u_{k_ff，max}＝500。

e_k和ΔQ的三角隶属度函数如图2所示。e_k和ΔQ的三角隶属度函数表达式如下，其中x为e_k或ΔQ，e_k的隶属度函数中n＝300，ΔQ的隶属度函数中n＝15。

u_{k_ff}的三角隶属度函数如图3所示。u_{k_ff}的隶属度函数表达式如下，其中n＝u_{k_ff，max}＝500。

Claims

1.一种用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，采用带有前馈控制的PI控制器进行PI控制方法，其中PI控制器的输出通过模糊控制器进行模糊逻辑自动调整，其特征是，具体步骤如下：

(4)模糊控制器根据转速误差e_k和液压油流量的变化量ΔQ，经模糊逻辑计算输出u_{k_ff}，u_{k_fb}和u_{k_ff}的差u_{k_fb}-u_{k_ff}作为最终控制器的输出，发送PWM信号给舵机，通过舵机的旋转操控油门线的松紧，控制汽油发动机的油门开度，进而控制汽油发动机的转速；

2.根据权利要求1所述的用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，其特征是，所述u_{k_ff}模糊规则表：

3.根据权利要求1所述的用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，其特征是，所述e_k和ΔQ的三角隶属度函数表达式如下，其中x为e_k或ΔQ，e_k的隶属度函数中n＝300，ΔQ的隶属度函数中n＝15；

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4.根据权利要求1所述的用于液压驱动腿足式机器人的汽油发动机转速控制方法，其特征是，所述u_{k_ff}的隶属度函数表达式如下，其中n＝u_k-ff，max＝500：

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