以排除易爆等危險品液壓驅(qū)動機械手為研究對象，應(yīng)用模糊控制技術(shù)建立其數(shù)學(xué)模型，并對其進行自動控制研究。仿真和試驗結(jié)果表明：該機械手模糊控制系統(tǒng)不僅具有較好的動、靜態(tài)品質(zhì)，且具有較強的魯棒性；在地形復(fù)雜環(huán)境下，該排爆機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械手是一種完成特定作業(yè)的機電一體化裝置，用以完成排除爆炸物、實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)爭條件下部隊的機動性。

例如，排爆機械手在找到已探明位置的爆炸物時，由于地理環(huán)境具有很大的不定性，給實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?，本文采用模糊控制，利用人的?jīng)驗知識、技巧和直接推理，不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，具有較強的適應(yīng)性，該控制策略滿足了控制性能要術(shù)，實現(xiàn)了排爆機械手的自動控制。

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，計算機輸出的電壓信號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)機械手實際操作經(jīng)驗，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)實驗修正，建立模糊控制查詢表，如表2所示。

在控制過程中，將實時采集到的誤差e（k）及計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）便是時刻加到控制過程中的實際控制量變化值，即△u_k=k_u×U_kij。

3 理論模型

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

（1）

式中：為作用在電液比例閥上的實際電壓值；為模糊控制器輸出的電壓值。 排爆機械手的控制系統(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）

　（3）

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為機械手油缸活塞有效面積。

4 試驗研究

4.1 試驗系統(tǒng)

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

4.2 試驗結(jié)果

上述模糊控制器在機械手試驗裝置上進行了試驗研究，圖3、圖4分別為采用常規(guī)PID控制方法時手指關(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，實驗結(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械手數(shù)學(xué)模型，并對其進行計算機自動控制研究。在試驗過程中，將文中建立的模糊控制算法和常規(guī)PID控制方法進行了對比試驗研究，結(jié)果表明，排爆機械手模糊控制系統(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，該機械手的應(yīng)用具有更強的適應(yīng)性。