[发明专利]基于动态数学模型前馈PID的气动人工肌肉控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于动态数学模型前馈PID的气动人工肌肉控制系统及方法，系统主要采用实验与曲线拟合的方式建立气动人工肌肉（PMA）动态数学模型，并对传统PID控制器进行改进，增加一个前馈补偿环节使其变为复合控制器，在给定位移值信号的情况下，通过动态数学模型得到相应的补偿气压数值，补偿值与偏差值共同对执行元件进行复合控制，可以有效地提高系统的跟踪能力，起到减小误差、降低抖动的作用。

技术领域

本发明涉及一种基于动态数学模型前馈PID的气动人工肌肉控制系统及方法，属于气动肌肉先进控制技术领域。

背景技术

气动人工肌肉具有出色的柔软性以及极高的负载自重比，广泛地用于仿生机器人和康复机器人领域。气动人工肌肉主要由三部分组成，包括橡胶气囊、编织物结构以及带有气体输入口的端盖，其中编织物结构与橡胶气囊混合在一起，当橡胶气囊充入压缩空气时，该装置会产生巨大的收缩力。但是由于气动驱动器固有的结构属性以及气动驱动难以线性控制的缘故，使得气动人工肌肉驱动器具有高度非线性和时变性特征，难以获得精确的建模以及准确的控制，给实际运用带来了巨大的挑战。而常见的传统PID控制技术难以处理气动人工肌肉驱动器的非线性与时变性问题，因此往往不能快速地减少震荡，难以获得较好的稳定性，使用效果较差。

发明内容

本发明提出了一种基于动态数学模型前馈PID的气动人工肌肉(PMA)控制系统及方法，即采用实验与曲线拟合的方式建立气动人工肌肉(PMA)动态数学模型，并对传统PID控制器进行改进，增加一个前馈补偿环节使其变为复合控制器，在给定位移值信号的情况下，通过动态数学模型得到相应的补偿气压数值，补偿值与偏差值共同对执行元件进行复合控制，可以有效地提高系统的跟踪能力，起到减小误差、降低抖动的作用。

本发明的目的在于为存在高度非线性和时变性特征的气动人工肌肉驱动器提供一种基于动态数学模型前馈PID的气动人工肌肉(PMA)控制系统及方法，可根据期望压力的变化，通过动态数学模型得到相应的补偿气压数值，补偿值与偏差值共同对执行元件进行复合控制，使得PMA在不同运行工作条件下均能获得满意的控制效果。

本发明采取如下技术方案：

一种基于动态数学模型前馈PID的气动人工肌肉控制系统，所述系统包括气动人工肌肉、负载、拉丝位移传感器、气压阀、空气压缩机、AD/DA采集卡以及上位机；

所述人工气动肌肉上端挂在支架上，下端通过无弹性的绳索与负载相连接，负载的下端与拉丝位移传感器连接，而拉丝位移传感器固定在实验台上，三者保持在一条直线上；气压阀输入端连接空气压缩机，输出端与气动人工肌肉进气口相连接，达到实时控制气动人工肌肉内部压力的大小；AD/DA采集卡分别与气压阀、拉丝位移传感器相连接，实时采集气压与位移的数据，并传输到上位机进行记录与分析。

上述气动人工肌肉采用FESTO公司生产的DMSP-20-180N-RM-CM型号的气动人工肌肉作为控制对象。

上述气压阀使用SMC ITV1050-212N,该控制阀的输出压强范围是0.005Mpa到0.9以及最大输出电压为5V，并且输出压强和输出电压之间具有线性关系。

上述AD/DA采集卡是使用ART科技公司的USB3102A型号的USB数据采集卡，具有16个采样通道，采样速度高达250ks/s，并且支持单点采样模型、多点采样模型以及连续采样模型，此外该采集卡具有两个DA通道和12个I/O口。

一种基于动态数学模型前馈PID的气动人工肌肉控制方法，包括如下步骤：

(1)、建立上述的控制系统，首先让拉线式传感器有一定的拉伸量处于绷直状态绷直拉线后，用电压表测得当前气动人工肌肉初始状态对应的电压值并记录下来，之后测得的电压值与初始值的差值则为气动人工肌肉位移对应的电压值；使用半波正弦信号作为输入量，测试气动人工肌肉的动态响应，并且将充气阶段和排气阶段得到的实验数据进行采集与分析；