McKibben氣動人工肌肉的靜動態(tài)特性及控制策略研究.pdf

1、氣動人工肌肉作為一種新型氣動執(zhí)行元件已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文以McKibben氣動人工肌肉為研究對象，通過理論分析建立McKibben氣動人工肌肉理想狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立了氣動人工肌肉較完整的靜動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過實驗和計算機數(shù)值仿真研究驗證了此模型的正確性。在對McKibben氣動人工肌肉控制系統(tǒng)特性分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用模糊控制的基本特點和預(yù)測PID控制算法相結(jié)合的方法設(shè)計了McKibben氣動人工肌肉位置伺服系統(tǒng)的

2、模糊預(yù)測PID控制器。 首先，分析了Chou在建立氣動人工肌肉理想模型存在的不足之處，在此基礎(chǔ)上，建立了比較符合實際的McKibben氣動人工肌肉理想模型。進而分析了導(dǎo)致McKibben氣動人工肌肉力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型與實際輸出力相差較大的原因，抓住影響McKibben氣動人工肌肉特性的豐要因素，橡膠彈性力以及橡膠套筒與纖維編織網(wǎng)間摩擦力對氣動人工肌肉力學(xué)特性的影響，建立了較為完整的McKibben氣動人工肌肉靜態(tài)力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型，

3、針對MAS-10-700N—AA—MC—K和MAS-20-300N—AA—MC—K兩種不同型號的McKibben氣動人工肌肉，通過實驗和計算機數(shù)值仿真分析了氣動人工肌肉靜態(tài)力學(xué)特性，驗證了靜態(tài)力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型的正確性。 其次，將氣動人工肌肉系統(tǒng)作為氣壓傳動系統(tǒng)來研究，在研究中將McKibben氣動人工肌肉在工作過程中視為等效作用面積的氣缸，將氣缸動態(tài)能量平衡方程運用于描述McKibben氣動人工肌肉動態(tài)能量平衡的工作特性中，同樣

4、以兩種型號的McKibben氣動人工肌肉為例，通過實驗和計算機數(shù)值仿真分析了McKibben氣動人工肌肉開環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)工作特性，驗證了氣動人工肌肉動態(tài)能量平衡方程的正確性。并且在文中推導(dǎo)并給出了McKibben氣動人工肌肉系統(tǒng)閉環(huán)控制的傳遞函數(shù)及其基本控制方程。 最后，針對氣動人工肌肉控制系統(tǒng)強非線性、難于建立精確數(shù)學(xué)模型的特點，在對其特性分析的基礎(chǔ)上，提出McKibben氣動人工肌肉位置伺服系統(tǒng)的模糊預(yù)測PID控制策略。把

5、經(jīng)典的PID控制與模糊預(yù)測控制結(jié)合起來，通過模糊辨識的方法來建立受控對象的模糊預(yù)測模型，再運用預(yù)測優(yōu)化器對PID參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)定，進而對閥控氣動人工肌肉系統(tǒng)進行控制。仿真結(jié)果表明，常規(guī)PID控制由于慣性負(fù)載和行程的變化，容易引起系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)，不能獲得較好的控制效果，并且用PID控制策略對McKibben氣動人工肌肉位置控制過程中比例、積分和微分三個參數(shù)也不好確定。而模糊預(yù)測PID控制改善了系統(tǒng)動態(tài)性能，響應(yīng)快速，超調(diào)量小。系統(tǒng)對于擾動