McKibben气动人工肌肉的静动态特性及控制策略研究

摘要

气动人工肌肉作为一种新型气动执行元件已引起了国内外学者的广泛关注。本文以McKibben气动人工肌肉为研究对象，通过理论分析建立McKibben气动人工肌肉理想状态下的数学模型，在此基础上建立了气动人工肌肉较完整的静动态数学模型，并通过实验和计算机数值仿真研究验证了此模型的正确性。在对McKibben气动人工肌肉控制系统特性分析的基础上应用模糊控制的基本特点和预测PID控制算法相结合的方法设计了McKibben气动人工肌肉位置伺服系统的模糊预测PID控制器。 首先，分析了Chou在建立气动人工肌肉理想模型存在的不足之处，在此基础上，建立了比较符合实际的McKibben气动人工肌肉理想模型。进而分析了导致McKibben气动人工肌肉力学特性数学模型与实际输出力相差较大的原因，抓住影响McKibben气动人工肌肉特性的丰要因素，橡胶弹性力以及橡胶套筒与纤维编织网间摩擦力对气动人工肌肉力学特性的影响，建立了较为完整的McKibben气动人工肌肉静态力学特性数学模型，针对MAS-10-700N—AA—MC—K和MAS-20-300N—AA—MC—K两种不同型号的McKibben气动人工肌肉，通过实验和计算机数值仿真分析了气动人工肌肉静态力学特性，验证了静态力学特性数学模型的正确性。 其次，将气动人工肌肉系统作为气压传动系统来研究，在研究中将McKibben气动人工肌肉在工作过程中视为等效作用面积的气缸，将气缸动态能量平衡方程运用于描述McKibben气动人工肌肉动态能量平衡的工作特性中，同样以两种型号的McKibben气动人工肌肉为例，通过实验和计算机数值仿真分析了McKibben气动人工肌肉开环控制系统的动态工作特性，验证了气动人工肌肉动态能量平衡方程的正确性。并且在文中推导并给出了McKibben气动人工肌肉系统闭环控制的传递函数及其基本控制方程。 最后，针对气动人工肌肉控制系统强非线性、难于建立精确数学模型的特点，在对其特性分析的基础上，提出McKibben气动人工肌肉位置伺服系统的模糊预测PID控制策略。把经典的PID控制与模糊预测控制结合起来，通过模糊辨识的方法来建立受控对象的模糊预测模型，再运用预测优化器对PID参数进行优化设定，进而对阀控气动人工肌肉系统进行控制。仿真结果表明，常规PID控制由于惯性负载和行程的变化，容易引起系统响应的超调，不能获得较好的控制效果，并且用PID控制策略对McKibben气动人工肌肉位置控制过程中比例、积分和微分三个参数也不好确定。而模糊预测PID控制改善了系统动态性能，响应快速，超调量小。系统对于扰动和外部参数的变化具有强的鲁棒性。因此用模糊预测PID控制策略对McKibben气动人工肌肉系统进行位置控制是可行的、合理的。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

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第1章绪论

1.1气动人工肌肉概述

1.1.1气动人工肌肉的产生

1.1.2气动人工肌肉的分类

1.1.3气动人工肌肉发展概况

1.1.4气动人工肌肉的特点

1.1.5气动人工肌肉的研究现状

1.2气动伺服系统概述

1.2.1气动伺服系统的发展概况

1.2.2气动伺服系统的分类与研究现状

1.3本课题的研究意义

1.4本课题的主要研究内容

1.5本课题研究的创新点

第2章气动人工肌肉静态模型的研究

2.1气动人工肌肉的结构及工作原理

2.2气动人工肌肉的静态数学模型

2.2.1 Chou理想模型

2.2.2气动人工肌肉的理想静态数学模型

2.2.3气动人工肌肉的改进静态模型

2.3气动人工肌肉静态特性实验和仿真研究

2.3.1气动人工肌肉静态等长实验及仿真研究

2.3.2气动人工肌肉静态等压实验及仿真研究

2.4本章小结

第3章气动人工肌肉控制系统特性研究

3.1气动人工肌肉控制系统的组成

3.2气动人工肌肉控制系统数学模型

3.2.1气动人工肌肉动态特性基本方程

3.2.2比例阀的压力-流量方程

3.2.3气动人工肌肉负载动力学方程

3.2.4气动人工肌肉控制系统的动态模型

3.3气动人工肌肉开环控制系统仿真和实验研究

3.3.1气动人工肌肉开环控制系统的实验系统组成

3.3.2气动人工肌肉开环控制系统实验和仿真数据分析

3.4气动人工肌肉闭环控制系统的基本特性

3.4.1气动人工肌肉闭环控制系统基本方程

3.4.2气动人工肌肉闭环控制系统的传递函数

3.5本章小结

第4章气动人工肌肉伺服系统的位置控制研究

4.1气动人工肌肉位置伺服系统PID控制

4.1.1 PID控制原理

4.1.2 PID控制器参数选择

4.1.3气动人工肌肉位置伺服系统PID控制的仿真分析

4.2气动人工肌肉位置伺服系统模糊预测控制

4.2.1模糊模型

4.2.2预测控制的基本原理

4.3气动人工肌肉位置伺服系统的模糊预测PID控制

4.3.1模糊预测PID控制器的设计

4.3.2气动人工肌肉位置伺服系统仿真研究

4.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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