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专利号: 2018115310704
申请人: 江南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-04-10
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种气动人工肌肉关节的基于迭代反馈整定的跟踪控制方法,其特征在于,所述方法包括:第一步:构建气动人工肌肉关节的动力学方程;

第二步:针对所述气动人工肌肉关节设计PID控制器,所述PID控制器的控制器参数为ρ=[Kp Ki Kd],确定所述PID控制器与所述气动人工肌肉关节构成的闭环控制系统的系统输出为:其中,y(ρ)表示所述闭环控制系统在控制器参数ρ的作用下的系统输出,G表示所述气动人工肌肉关节的动力学方程,r表示所述闭环控制系统的系统参考输入,v表示扰动信号,Cr(ρ)和Cy(ρ)为所述PID控制器的传递函数;

第三步:确定所述闭环控制系统的期望输出,并根据所述闭环控制系统的系统输出与期望输出之间的误差定义跟踪性能准则函数J(ρ)为:其中,N为采样点个数,t为参数,Ly=Lu=1, 表示系统输出y(ρ)与期望输出yd之间的误差,u(ρ)表示控制器输出,λ为控制量的权重因子;

第四步:初始化第1次迭代时的控制器参数ρ1,检测在第i次迭代中的控制器参数ρi作用下的跟踪性能准则函数J(ρi)是否小于预设阈值,i为参数且i的起始值为1;

若第i次迭代中的控制器参数ρi作用下的跟踪性能准则函数J(ρi)不小于所述预设阈值,则根据第i次迭代中的控制器参数与第i次迭代中的误差定义跟踪性能准则函数的估计梯度确定第i+1次迭代中的控制器参数,并令i=i+1,再次执行所述检测在第i次迭代中的控制器参数ρi作用下的跟踪性能准则函数J(ρi)是否小于预设阈值的步骤,第i+1次迭代中的控制器参数ρi+1为:其中,γi表示第i次迭代的步长,且γi>0, Ri为第i次迭代的正定Hessian矩阵, 表示第i次迭代中的误差定义跟踪性能准则函数J(ρi)的估计梯度,有:是第i次迭代中的系统输出关于控制器参数的无偏估计, 是第i次迭代中的控制器输出关于控制器参数的无偏估计, 和 根据对第i次迭代中的闭环控制系统的响应实验的结果计算得到;

若第i次迭代中的控制器参数ρi作用下的跟踪性能准则函数J(ρi)小于所述预设阈值,则迭代结束,并使用控制器参数ρi的PID控制器控制所述气动人工肌肉关节。

2.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述方法还包括:

对第i次迭代中的闭环控制系统进行三次响应实验,所述三次响应实验的系统参考输入、控制器输出以及系统输出分别为:其中,ri(1)、u(1)(ρi)以及y(1)(ρi)依次表示第一次响应实验的参考输入、控制器输出以及系统输出;ri(2)、u(2)(ρi)以及y(2)(ρi)依次表示第二次响应实验的参考输入、控制器输出以及系统输出;ri(3)、u(3)(ρi)以及y(3)(ρi)依次表示第三次响应实验的参考输入、控制器输出以及系统输出;T0是T0(ρi)是简写,S0是S0(ρi)的简写,Cr是Cr(ρ)的简写,Cy是Cy(ρ)的简写,vi(1)、vi(2)以及vi(3)依次为三次响应实验过程中的扰动信号;

根据三次响应实验的系统参考输入、控制器输出以及系统输出确定第i次迭代中的系统输出关于控制器参数的无偏估计为:根据三次响应实验的系统参考输入、控制器输出以及系统输出确定第i次迭代中的控制器输出关于控制器参数的无偏估计为:当三次响应实验中扰动信号的界限值和随机噪声的均方值保持不变时,进一步确定第i次迭代中的系统输出和控制器输出关于控制器参数的无偏估计分别为:

3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:确定第i次迭代中的辅助因子Ki:

其中,yd,max是期望输出的N个采样点中的最大值,yd,min是期望输出的N个采样点中的最小值,ui,max是第i次迭代中的控制器输出的N个采样点中的最大值,ui,min是第i次迭代中的控制器输出的N个采样点中的最小值;

基于辅助因子Ki重新定义第i次迭代中的控制器参数ρi作用下的跟踪性能准则函数J(ρi)为:基于辅助因子Ki重新定义第i次迭代的正定Hessian矩阵Ri为:

4.根据权利要求1至3任一所述的方法,其特征在于,所述气动人工肌肉关节包括一对对抗性气动人工肌肉以及所述一对对抗性气动人工肌肉控制的同步带轮,所述同步带轮连接并驱动关节杆,所述关节杆的末端施加有负载;则所述构建气动人工肌肉关节的动力学方程包括:确定单个气动人工肌肉的数学模型为:

其中,p是气动人工肌肉内部的相对压力,F是气动人工肌肉的收缩力,l0是气动人工肌肉的初始长度,l是气动人工肌肉的当前长度,r0表示气动人工肌肉运动的初始半径,α0表示气动人工肌肉运动的编制网初始夹角,α表示气动人工肌肉运动的编制网当前夹角,ε表示气动人工肌肉运动的收缩率,εmax表示气动人工肌肉运动的最大收缩率;

根据理想气体的多变过程方程得出气动人工肌肉内部气体的状态方程为:pV=mqRgT

其中,Rg为气体常数,T为绝对温度,V为气动人工肌肉的工作容积,mq为腔室内气体质量,定义腔室内气体质量mq的微分为进入腔室的气体质量流量qm,在气动人工肌肉的充放气为恒温过程时,工作容积V表示为:V=πr02l0[1+(a-b)ε-αε2];

则确定气压变化率 与气体质量流量qm的关系为:

对于由一对对抗性气动人工肌肉控制的同步带轮驱动的气动人工肌肉关节,则两个气动人工肌肉的气体质量流量qm1和qm2分别为:其中,kv是正的常数,是气体密度,ps是气源绝对压力,u1和u2是用于控制所述两个气动人工肌肉的PWM信号,且u1=u0+Δu、u2=u0-Δu,u0为常数,Δu为控制信号;qin(p)为进气流量函数,qout(p)为出气流量函数,且有:其中,p0是大气压力;

令 并代入u1=

u0+Δu、u2=u0-Δu后,两个气动人工肌肉的气体质量流量qm1和qm2与控制信号Δu的关系分别为:qm1=g1(p1)·u0-g2(p1)·Δu;

qm2=g1(p2)·u0+g2(p2)·Δu;

建立由一对对抗性气动人工肌肉控制的同步带轮驱动的气动人工肌肉关节的动力学方程为:J=mblc2+Mlb2;

D=(mblc+Mlb)g;

其中,lb是所述关节杆的长度,lc是所述关节杆的质心到转轴的长度,mb是所述关节杆的质量,M是施加于所述关节杆的末端的负载的质量,θ是所述气动人工肌肉关节的旋转角度,F(p1)和F(p2)是两个气动人工肌肉分别在内部的相对压力为p1和p2时的收缩力,Cf是粘滞摩擦系数;Rj是所述同步带轮的半径:则可以得到气动人工肌肉关节的动力学方程G表示为: