基于模糊控制的水冲洗移动机器人液压伺服控制系统的研究

摘要

持续电力供应已经成为影响当今社会发展的重要因素，变电站的正常运行是持续电力供应的一个重要环节，由于大气中很多污染物长时间沉积在绝缘柱的表而上，降低了绝缘性能，容易发生污闪事故[1]。这不仅造成大面积跳闸停电，容易造成用电设备的损坏，而且给持续用电用户带来巨大的经济损失。为了提高变电站绝缘子设备的抗污染能力，当前国内多采用人工清洗作业，不仅清洗效率低、而且危险系数高，对人体容易造成损伤。随着自动化水平的不断提高，特种作业机器人在各个行业表现出了巨大的优势，急需发明特种作业机器人代替人工进行清洗作业，将人从清扫作业中解脱出来。
　　本文依托于2012年国家“十二五”高新技术发展规划（“863计划”）立项研究的“面向电力带电抢修作业机器人研究开发与应用”，对变电站带电作业水冲洗移动机器人整个系统做了相关分析，特别对机器人的液压伺服控制系统进行了进一步的研究分析，通过设计模糊-PID控制器对该液压伺服系统进行控制，仿真和实地实验表明该控制提高了控制精度以及整个系统的鲁棒性。水冲洗机器人的成功研制极大的提高了冲洗作业的效率，保障了工作人员的安全，带来巨大的经济效益和社会效益。本文研究工作主要包含几个方面:
　　1、本文首先介绍了变电站水冲洗机器人的研究背景及意义，详细阐述了国内外变电站带电作业水冲洗机器人的发展现状，并介绍了液压伺服控制技术的研究和发展现况，最后介绍了本文研究的主要内容。
　　2、对水冲洗机器人进行结构和功能的分析，首先介绍了水冲洗机器人的整体结构，然后对机器人的液压系统、水冲洗系统、手持控制终端系统和通讯系统等进行详细的分析。
　　3、对水冲洗机器人的机械臂进行动力学分析，首先建立雅克比矩阵，通过该矩阵得到各关节的速度和角速度，由计算所得的动能和势能得到拉格朗日函数，经求导得到动力学方程。然后通过Pro/E软件对机械臂建立模型，将其导入ADAMS中，经过对模型重新添加一系列的约束条件，获得机械臂的虚拟样机，最后本文针对该样机进行相关的仿真分析。
　　4、对水冲洗机器人的液压伺服控制系统进行设计，首先对机器人的液压伺服控制系统进行设计分析，得到基于TRIO控制的液压伺服控制系统，然后对液压伺服控制系统进行硬件设计和软件设计，并通过调试检验控制原理和接线的可行性。
　　5、基于模糊-PID控制对水冲洗机器人的液压伺服控制系统进行分析，首先对机器人的液压伺服系统进行数学建模，通过建立模糊-PID控制器对液压伺服系统模型进行控制，最终在无干扰和干扰条件下进行计算机仿真和实地实验分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究的背景及意义

1．1．1 水冲洗机器人的需求分析

1．1．2 国内研究的背景及现状

1．1．3 国外研究的背景及现状

1．1．4 本文研究的意义

1．2 液压伺服控制技术的研究与发展

1．2．1 液压伺服控制技术研究的必要性

1．2．2 液压伺服控制技术研究的现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 水冲洗机器人系统概述

2．1 机器人总体结构

2．1．1 总体结构的组成

2．1．2 总体结构参数

2．2 液压系统

2．2．1 液压系统的设计分析

2．2．2 液压系统的设计及原理介绍

2．2．3 液压系统的设计参数

2．3 手持控制终端系统

2．4 水冲洗系统

2．5 通讯系统

2．6 本章小结

第3章 水冲洗机器人动力学分析

3．1 确定建模的方法

3．2 建立雅克比矩阵

3．3 建立动力学方程

3．4 动力学方程的计算

3．5 基于Pro／E软件的动力学建模

3．5．1 Pro／E软件

3．5．2 模型的建立

3．6 基于ADAMS软件的动态仿真

3．6．1 ADAMS软件

3．6．2 虚拟样机的仿真分析过程

3．6．3 仿真分析

3．7 本章小结

第4章 液压伺服控制系统的设计

4．1 液压伺服控制系统的设计分析

4．2 基于TRIO控制的液压伺服控制系统

4．3 液压伺服控制系统的硬件设计

4．3．1 多轴运动控制器

4．3．2 串口服务器

4．3．3 电液伺服阀

4．3．4 伺服阀放大器

4．3．5 液压马达和油缸

4．3．6 传感器

4．3．7 液压伺服控制系统接线

4．3．8 液压伺服控制系统调试

4．4 液压伺服控制系统软件设计

4．4．1 主程序

4．4．2 自检子程序

4．4．3 复位子程序

4．4．4 运行子程序

4．4．5 保护子程序

4．5 本章总结

第5章 基于模糊-PID控制的液压伺服控制系统

5．1 液压系统物理模型的建立

5．2．液压伺服控制系统数学建模

5．2．1 伺服放大器

5．2．2 电液伺服阀

5．2．3 阀控缸

5．2．4 位置传感反馈

5．2．5 模型参数的确定

5．3 对液压伺服控制系统进行模糊-PID控制

5．4 模糊控制过程

5．4．1 模糊控制器

5．4．2 模糊-PID控制

5．5 仿真实验与分析

5．5．1 建立仿真模型

5．5．2 仿真分析

5．6 实地实验

5．7 本章总结

第6章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 研究展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况