气动人工肌肉位置控制的研究

发布时间：2020-05-22 10:10

【摘要】： 本文以德国Festo公司生产的MAS型气动人工肌肉为研究对象,通过理论分析建立了气动人工肌肉的静动态数学模型,并通过实验和仿真加以验证。在对气动人工肌肉控制系统特性分析的基础上运用模糊理论和自适应控制方法设计了气动人工肌肉的模糊自适应整定PID控制策略,并对其进行仿真分析。首先,基于能量守恒定律,抓住影响气动人工肌肉的主要因素,橡胶弹性力以及橡胶筒与纤维层间摩擦力的影响,建立了相对简单而又较为完整的气动人工肌肉静态数学模型,并通过实验和计算机仿真对其进行了研究。其次,从控制阀的流量方程、执行元件的动态方程和运动方程入手,将气动人工肌肉作为一种气压传动系统来研究,建立了气动人工肌肉系统动态特性的非线性数学模型,并通过实验和计算机仿真分析了气动人工肌肉开环控制系统的动态工作特性。在此基础上,求出了闭环控制系统的传递函数。最后,针对气动人工肌肉控制系统的强非线性以及难于建立精确数学模型的特点,提出了气动人工肌肉位置伺服控制系统的模糊自适应整定PID控制策略。通过仿真得出,单纯的PID控制时,由于系统的非线性,容易引起系统响应的抖动,不能获得良好的动态特性,然而模糊自适应整定PID控制不仅改善了系统的动态特性,而且响应平滑,超调量小,在外部干扰和参数的改变时,系统具有强的鲁棒性。因此,对于气动人工肌肉位置控制伺服系统来说,模糊自适应整定PID控制是可行的、合理的。
【图文】：

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洁、安装简便等优点之外，还具有高功率/质量比、自然柔顺性、与生物肌肉类似的力学特性等优点，受到越来越多研究者的关注。气动人工肌肉是由一段外部包裹纤维网的橡胶筒和两端的接头连接组成，如同生物肌肉那样能产生很强的收缩力，如图1.1所示螺丝口部图1.1气动人工肌肉的模型1.1.1气动人工肌肉的发展概况早在1900年，“机构学之父”REULEAUX[z，在关于生物机构学的研究中就提到了用橡胶管模拟生物肌肉的原理。1913年，wILKINS〔3]发明了一种廉价可靠的管状膜片驱动器，由于弹性管的支撑强度不够，因此在密封的弹性橡胶管内外安装了辅助支撑弹簧，可在正负压状态下工作。弹性管作为一种可变容积腔室，随后被应用到液压泵、液压柱塞密封、波纹管式膜片驱动器、千斤顶、恒压装置的设计中。由于单纯的橡胶管能承受的压力有限，HAvEN〔4]在一冲击装置中采用了外加编织层的强化结构。 1953年

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分别记录气动人工肌肉产生的收缩力及其收缩位置。改变气动人工肌肉腔内的充气压力，重复上述实验步骤，，得到气动人工肌肉在不同充气压力下收缩力和收缩率的关系曲线，如图2.8所示。为了更进一步的分析各个数学模型之间的差异，特把各个理想曲线与实验曲线相对比，如图2.9所示。1l一0.IMP。2一 0.2MPa6一 0.6MPa3一 0.3MPa4一 0.4MPas一0.5珊a7一 0.7MP.8一 0.8MPa图2.8气动人工肌肉在不同充气压力下收缩力与收缩率的关系图
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH138.7

【参考文献】