以排除易爆等危險(xiǎn)品液壓驅(qū)動機(jī)械手為研究對象，應(yīng)用模糊控制技術(shù)建立其數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行自動控制研究。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)械手模糊控制系統(tǒng)不僅具有較好的動、靜態(tài)品質(zhì)，且具有較強(qiáng)的魯棒性；在地形復(fù)雜環(huán)境下，該排爆機(jī)械手具有很好的適應(yīng)性。

1 前言

本文所研究的排除易爆物品機(jī)械手是一種完成特定作業(yè)的機(jī)電一體化裝置，用以完成排除爆炸物、實(shí)施有效排除障礙等作業(yè)。其主要用于已探明位置的未爆炸彈、油罐或其它爆炸物，也可用于地表障礙清除等，可廣泛用于公安、消防等部門。也可以用于野戰(zhàn)條件下的部隊(duì)清除地雷、未爆炸彈等作業(yè)，它可有效提高現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下部隊(duì)的機(jī)動性。

例如，排爆機(jī)械手在找到已探明位置的爆炸物時(shí)，由于地理環(huán)境具有很大的不定性，給實(shí)施控制帶來很大的不便。因此，必須盡快選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠砼懦ㄎ铮疚牟捎媚：刂?，利用人的?jīng)驗(yàn)知識、技巧和直接推理，不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，該控制策略滿足了控制性能要術(shù)，實(shí)現(xiàn)了排爆機(jī)械手的自動控制。

2 模糊控制算法

取誤差E及誤差的變化EC為輸入語言變量，計(jì)算機(jī)輸出的電壓信號u為輸出語言。變量E、EC、U量化論域分別為:

E、EC、U的語言值分別為:

E、EC、U的隸屬函數(shù)選用正態(tài)分布。 根據(jù)機(jī)械手實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，得出一組由52條Fuzzy條件語句構(gòu)成的控制規(guī)則：

將上述52條Fuzzy條件語句進(jìn)行歸納，建立模糊控制規(guī)則表，如表1所示。 應(yīng)用Fuzzy推理合成規(guī)則及最大隸屬度法，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)修正，建立模糊控制查詢表，如表2所示。

在控制過程中，將實(shí)時(shí)采集到的誤差e（k）及計(jì)算得到的誤差的變化ec（k）分別乘以量化因子。和，得相應(yīng)論域元素表征的查詢表，查找查詢表有所需的E_ki和EC_kj，由查詢表得出對應(yīng)于E_ki和EC_kj的控制量變化U_kij，U_kij乘以比例因子k_u（k_u=△u_max/6）便是時(shí)刻加到控制過程中的實(shí)際控制量變化值，即△u_k=k_u×U_kij。

3 理論模型

本文采用電液比例技術(shù)對排雷機(jī)械手實(shí)施控制，而電液比例閥的不足之處是存在死區(qū)，因此在控制時(shí)必須對其死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，本文選用了靜態(tài)補(bǔ)償?shù)霓k法，即

（1）

式中：為作用在電液比例閥上的實(shí)際電壓值；為模糊控制器輸出的電壓值。 排爆機(jī)械手的控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1中的被控系統(tǒng)為電液比例閥控制的比例液壓系統(tǒng)，其狀態(tài)方程和輸出方程為

　（2）

?。?）

式中：為狀態(tài)變量；A為6×6階系數(shù)矩陣；B為6×2階系數(shù)矩陣；C為1×6階系數(shù)矩陣；x、f為被控對象的給定輸入和干擾輸入；y[sub]x[/sub]、y[sub]f[/sub]為被控對象在給定輸入和干擾輸入下的輸出。其中

式中：K_u為電液比例閥的比例系數(shù)；K_f為反饋信號增益；K_ce為比例閥的總流量—壓力系數(shù)；為系統(tǒng)固有頻率；為系統(tǒng)阻尼比；為液壓油等效體積模量；A為機(jī)械手油缸活塞有效面積。

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

排爆機(jī)械手采用電液比例控制，由計(jì)算機(jī)通過兩個(gè)電液比例閥控制伸縮油缸和手指開合油缸來完成機(jī)械手的挖掘抓取作業(yè)。圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)的原理框圖。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

上述模糊控制器在機(jī)械手試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，圖3、圖4分別為采用常規(guī)PID控制方法時(shí)手指關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，圖5、圖6分別為采用模糊控制方法時(shí)手指關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。其中，手指關(guān)節(jié)的開度由0～12.5cm，伸縮關(guān)節(jié)的伸長量由0～15.0cm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3兩種控制策略的控制性能指標(biāo)可知，采用模糊控制方法使控制性能具有良好的動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用模糊控制理論建立了排爆機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動控制研究。在試驗(yàn)過程中，將文中建立的模糊控制算法和常規(guī)PID控制方法進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，排爆機(jī)械手模糊控制系統(tǒng)不僅具有較好的動、靜態(tài)品質(zhì)，而且具有較強(qiáng)的魯棒性，對惡劣環(huán)境下排除爆炸物或野戰(zhàn)條件下排除地雷或障礙物，該機(jī)械手的應(yīng)用具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。