【摘要】： 本文以德國Festo公司生產(chǎn)的MAS型氣動人工肌肉為研究對象,通過理論分析建立了氣動人工肌肉的靜動態(tài)數(shù)學(xué)模型,并通過實(shí)驗(yàn)和仿真加以驗(yàn)證。在對氣動人工肌肉控制系統(tǒng)特性分析的基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊理論和自適應(yīng)控制方法設(shè)計了氣動人工肌肉的模糊自適應(yīng)整定PID控制策略,并對其進(jìn)行仿真分析。 首先,基于能量守恒定律,抓住影響氣動人工肌肉的主要因素,橡膠彈性力以及橡膠筒與纖維層間摩擦力的影響,建立了相對簡單而又較為完整的氣動人工肌肉靜態(tài)數(shù)學(xué)模型,并通過實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)仿真對其進(jìn)行了研究。 其次,從控制閥的流量方程、執(zhí)行元件的動態(tài)方程和運(yùn)動方程入手,將氣動人工肌肉作為一種氣壓傳動系統(tǒng)來研究,建立了氣動人工肌肉系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性數(shù)學(xué)模型,并通過實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)仿真分析了氣動人工肌肉開環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)工作特性。在此基礎(chǔ)上,求出了閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 最后,針對氣動人工肌肉控制系統(tǒng)的強(qiáng)非線性以及難于建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn),提出了氣動人工肌肉位置伺服控制系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)整定PID控制策略。通過仿真得出,單純的PID控制時,由于系統(tǒng)的非線性,容易引起系統(tǒng)響應(yīng)的抖動,不能獲得良好的動態(tài)特性,然而模糊自適應(yīng)整定PID控制不僅改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性,而且響應(yīng)平滑,超調(diào)量小,在外部干擾和參數(shù)的改變時,系統(tǒng)具有強(qiáng)的魯棒性。因此,對于氣動人工肌肉位置控制伺服系統(tǒng)來說,模糊自適應(yīng)整定PID控制是可行的、合理的。
【圖文】：

潔、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有高功率/質(zhì)量比、自然柔順性、與生物肌肉類似的力學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多研究者的關(guān)注。氣動人工肌肉是由一段外部包裹纖維網(wǎng)的橡膠筒和兩端的接頭連接組成，如同生物肌肉那樣能產(chǎn)生很強(qiáng)的收縮力，如圖1.1所示螺絲口部圖1.1氣動人工肌肉的模型1.1.1氣動人工肌肉的發(fā)展概況早在1900年，“機(jī)構(gòu)學(xué)之父”REULEAUX[z，在關(guān)于生物機(jī)構(gòu)學(xué)的研究中就提到了用橡膠管模擬生物肌肉的原理。1913年，wILKINS〔3]發(fā)明了一種廉價可靠的管狀膜片驅(qū)動器，由于彈性管的支撐強(qiáng)度不夠，因此在密封的彈性橡膠管內(nèi)外安裝了輔助支撐彈簧，可在正負(fù)壓狀態(tài)下工作。彈性管作為一種可變?nèi)莘e腔室，隨后被應(yīng)用到液壓泵、液壓柱塞密封、波紋管式膜片驅(qū)動器、千斤頂、恒壓裝置的設(shè)計中。由于單純的橡膠管能承受的壓力有限，HAvEN〔4]在一沖擊裝置中采用了外加編織層的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。 1953年

分別記錄氣動人工肌肉產(chǎn)生的收縮力及其收縮位置。改變氣動人工肌肉腔內(nèi)的充氣壓力，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，，得到氣動人工肌肉在不同充氣壓力下收縮力和收縮率的關(guān)系曲線，如圖2.8所示。為了更進(jìn)一步的分析各個數(shù)學(xué)模型之間的差異，特把各個理想曲線與實(shí)驗(yàn)曲線相對比，如圖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圖2.8氣動人工肌肉在不同充氣壓力下收縮力與收縮率的關(guān)系圖
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TH138.7

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 肖永利;張琛;;位置伺服系統(tǒng)的一類非線性PID調(diào)節(jié)器設(shè)計[J];電氣自動化;2000年01期

2 劉榮,宗光華;人工肌肉驅(qū)動特性研究[J];高技術(shù)通訊;1998年06期

3 黃曉林;黃道君;;數(shù)字PID控制方程的參數(shù)在線Fuzzy自校正方法研究[J];工業(yè)儀表與自動化裝置;1993年05期

4 閆茂德,徐德民;一類不匹配不確定非線性系統(tǒng)魯棒變結(jié)構(gòu)控制[J];火力與指揮控制;2001年02期

5 宗光華;利用變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)人工肌肉的夾持力控制[J];機(jī)器人;1990年04期

6 李寶仁,劉軍,楊鋼;氣動人工肌肉系統(tǒng)建模與仿真[J];機(jī)械工程學(xué)報;2003年07期

7 陶國良;謝建蔚;周洪;;氣動人工肌肉的發(fā)展趨勢與研究現(xiàn)狀[J];機(jī)械工程學(xué)報;2009年10期

8 李卓,蕭德云,何世忠;基于Fuzzy推理的自調(diào)整PID控制器[J];控制理論與應(yīng)用;1997年02期

9 劉國榮，陽憲惠;模糊自適應(yīng)PID控制器[J];控制與決策;1995年06期

10 高為炳;程勉;夏小華;;非線性控制系統(tǒng)的發(fā)展[J];自動化學(xué)報;1991年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 楊鋼;氣動人工肌肉位置伺服系統(tǒng)研究及其應(yīng)用[D];華中科技大學(xué);2004年

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1 郭世軍;直線氣缸的位置控制研究[D];蘭州理工大學(xué);2007年

本文編號：2675839