1 清刷機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)

  清刷機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)如圖1 所示.其工作原理為:系統(tǒng)首先輸入與所需要的目標(biāo)位置相對應(yīng)的機(jī)器人的偏航角ψ0 ,將此信號與傾角傳感器檢測到的機(jī)器人實(shí)際偏航角ψ相比較,得到偏差信號為ψe= ψ0 - ψ,經(jīng)過模糊控制器的算法運(yùn)算,求出為消除該偏差所需施加于馬達(dá)伺服機(jī)構(gòu)輸入端的控制轉(zhuǎn)速信號ωd R 和ωd L ,該信號經(jīng)功率放大,分別驅(qū)動左右鏈輪的伺服機(jī)構(gòu),使偏差信號逐漸減少,直到消除.圖中d 為主動鏈輪的分度圓直徑,b 為左右兩條履帶中心距的距離.

　2 位置模糊控制器結(jié)構(gòu)

　由于清刷機(jī)器人在作業(yè)過程中,系統(tǒng)存在著許多不確定因素,如模型參數(shù)的時變和對象特性的非線性以及諸多的擾動因素,所以,將機(jī)器人位置控制器設(shè)計成模糊控制器.機(jī)器人位置模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示.考慮到位置控制器的復(fù)雜性和控制精度要求,選用機(jī)器人傾角偏差和傾角偏差變化率作為模糊控制器的輸入.這樣既可避免使用一維控制器的動態(tài)性能不佳,也避免了采用三維模糊控制器的過于復(fù)雜,難以設(shè)計和占用計算機(jī)時間長,實(shí)時性差等弊端.

  由圖2 可以看出,控制器主要由偏差e 和偏差變化率ec 的離散化眼坏、模糊化環(huán)節(jié)K 1 和K 2 嚷掠、模糊控制查詢表段多、控制量輸出環(huán)節(jié)K 3 和在線參數(shù)自調(diào)整環(huán)節(jié)等組成.參數(shù)自調(diào)整的作用是根據(jù)偏差e 和偏差變化率ec 的大小,在線調(diào)節(jié)K 1 首量、K 2 和K 3 的值,使系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能更好地相互兼顧.

  3 控制器輸入輸出變量

  在模糊控制器的設(shè)計中,通常是以誤差e 和誤差變化率ec 作為輸入變量,經(jīng)過離散化、模糊化后,作為模糊控制表的輸入,查詢模糊控制表,得到模糊輸出控制量△u, 又經(jīng)過輸入比例系數(shù)K 3 后和其他控制信號相加,作為被控對象的實(shí)際控制信號.

  取誤差e 的模糊子集E 的論域?yàn)?span lang="EN-US">{ 6, 6} ,誤差變化率ec 的模糊子集E C 的論域?yàn)?span lang="EN-US">{ 6, 6} ,控制量△u 的模糊子集△U 的論域?yàn)?span lang="EN-US">{ 7, 7} .一般情況下,人們對誤差和誤差變化率以及控制量在正負(fù)方向上的感知近似為對稱的,因此,取E ,E C 和△U 的語言變量為{ N B ,N M ,N S,Z O ,P S,P M ,P B }確定語言變量的模糊子集隸屬函數(shù)的形狀,通常情況下采用正態(tài)型模糊變量來描述是適宜的,考慮到隸屬函數(shù)曲線形狀對控制特性的影響,在誤差較大區(qū)域采用低分辨率的模糊集,在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率的模糊集,當(dāng)誤差接近于零時選用高分辨率的模糊集.論域E ,E C 和△U 中語言變量的隸屬函數(shù)分別如圖3 ～圖5 所示.將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化后,就可得到隸屬度.

  4 模糊控制規(guī)則

  通常情況下模糊控制規(guī)則是由實(shí)際的控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的,但對于船體表面清刷機(jī)器人這種在特定環(huán)境中作業(yè)的控制對象,要總結(jié)出人工控制經(jīng)驗(yàn)是較為困難的.可以從系統(tǒng)簡化的物理模型出發(fā),按常規(guī)控制經(jīng)驗(yàn)類推出一般的模糊推理規(guī)則;也可以將經(jīng)典控制理論模糊化得到一套相應(yīng)的模糊控制規(guī)則去控制機(jī)器人在船體表面的移動.采用的模糊控制規(guī)則為R i :if E is A i and E C is B i ,then △U is C i进苍，其中R i 表示第i條控制規(guī)則;E 表示誤差語言變量;E C 表示誤差變化率語言變量; △U 為控制量語言變量.它們的語言值在相應(yīng)論域中的模糊子集分別為Ai ,B i 和C i , 由這些控制規(guī)則可得到模糊控制規(guī)則表1.

  5 量化因子加缘、比例因子和參數(shù)自調(diào)整

  采用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法進(jìn)行模糊控制時,必須將采樣得到的輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域,因此,需要引入量化因子進(jìn)行論域的變換.圖2 中的參數(shù)K 1 和K 2 分別為誤差的量化因子和誤差變化率的量化因子.

  每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量( 精確量) ,還不能直接去控制對象,必須轉(zhuǎn)換到控制對象所能接受的基本論域中去,即通過圖2 中的比例因子K 3 實(shí)現(xiàn)輸出控制量的論域的變換.

  由圖2 可知,模糊控制器除了要有一個好的模糊控制規(guī)則外,合理地選擇模糊控制器輸入變量的量化因子和輸出控制量的比例因子也是非常重要的.研究表明,量化因子和比例因子的大小及不同量化因子之間大小的相對關(guān)系,對模糊控制器的控制性能影響極大.為了使清刷機(jī)器人能夠適應(yīng)各種不同船體表面上運(yùn)動,完成規(guī)定的清刷功能,控制中采用的量化因子和比例因子可根據(jù)誤差e 和誤差變化率ec 的大小進(jìn)行自動調(diào)整,從而使系統(tǒng)在各種情況下都具有良好的控制性能.

  量化因子K 1 和K 2 的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大.當(dāng)e和ec較大時,控制系統(tǒng)要減小誤差,加快動態(tài)過程,這時應(yīng)取較大的控制量.此時可縮小量化因子K 1 和K 2 ,增大K 3 .當(dāng)e 和ec 較小時,系統(tǒng)接近穩(wěn)定值,這時為了使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能減小,應(yīng)當(dāng)放大量化因子K 1 和K2 ,同時減小K 3 ,使控制量的階躍變化小.

  由以上分析可知, K 1 , K 2 和K 3 的變化趨勢正好相反.為了便于計算機(jī)控制,可取K 1 , K 2 的變化倍數(shù)與K 3 的變化倍數(shù)成倒數(shù)關(guān)系. K 1 , K 2 和K 3 的調(diào)整也是采用模糊化方法,經(jīng)模糊推理后得到參數(shù)調(diào)整表2.實(shí)際控制時,以最初設(shè)定的量化因子K 1 0 和K 2 0 對誤差e 和誤差變化率ec 進(jìn)行量化,查找參數(shù)調(diào)整表得到N 值,按K 1 = N· K 1 0 ,K 2 = N· K2 0 和K 3 = K3 0 /N 調(diào)整參數(shù),并用調(diào)整后的K 1 , K 2 和K 3 進(jìn)行量化和控制.

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