基于MATLAB和Simulink的管道清淤机器人模糊控制设

1基于MATLAB和Simulink的管道清淤机器人模糊控制设计与仿真王丰蔡玉强段润保河北理工大学摘要：清淤机器人用于城市排水管道的自动清理工作。针对排水管道中的情况十分复杂、负载具有较大的不确定性的特点，提出了模糊控制算法以自动纠正步进电动机由于过载而引起的失步，并利用MATLAB和Simulink对模糊控制器进行了设计与仿真。仿真结果表明，模糊控制算法的引入获得了预期的控制效果。该设计思想对相似场合下的步进电动机控制也具有一定的借鉴作用。关键词：模糊控制MATLABSimulink管道清淤机器人DesignandSimulationofFuzzyControlfortheDrainPipeCleaningRobotBasedonMATLABandSimulinkWangFengCaiYuqiangDuanRunbaoAbstract：Thedrainpipecleaningrobotisusedtocleanthesewersautomatically.Inaccordancewiththecomplexityinsidethepipesandtheundefinedload,thefuzzyalgorithmsarepresentedtocontrolthestallingofthesteppingmotorduetotheoverload.ThedesignandsimulationofthefuzzycontrollerisconductedbymeansofMATLABandSimulink.Thesimulatingresultsshowthattheexpectedcontroleffecthasbeenproducedbecauseoftheintroductionoffuzzycontrol.Theconceptofdesigncanalsobeusedinthecontrolofthesteppingmotorsinothersimilarsituations.Keywords：fuzzyControlMATLABSimulinkdrainpipecleaningrobot管道清淤机器人是一种用于城市排水管道自动清理工作的新型清淤作业装置，它采用有缆工作方式，通过所拖带的电缆从地面获得动力以及操作人员的作业指令，并将其运动状态信息反馈给地面控制装置，因此其主要机械组成为移动载体、清淤刀具和电缆收放装置等，各由一台配备有光电编码器的步进电动机进行驱动。清淤机器人在排水管道中进行作业时经常会遇到一些难以预料的情况，因此驱动步进电动机极易出现过载现象。本文提出了一种模糊控制算法，用于自动纠正步进电动机由于过载而引起的失步。1清淤机器人模糊控制研究排水管道中的状况十分复杂，比如管道内壁*河北省教育厅科学研究项目资助（2004432）可能有不规则的形状缺陷，尤其是在管道和检查井的连接处；管道内可能存留体积较大的废弃物；由于地面的自然沉降可能导致两段管道之间存在错管现象等，这些都可能造成载体所受载荷超过预期值，*2致使驱动步进电动机因过载而产生失步。为了纠正这一现象，本文提出了移动载体驱动步进电动机过载调整模糊控制器的设计思想。鉴于机器人载体在排水管道中行进时所受到的载荷具有较大的不确定性，故选择大容量步进电动机以应对可能遇到的恶劣状况。另外，为了适应流动作业的需要，机器人工作所需电源取自配套工程车上的电瓶。因此，在能够满足负载要求的情况下，应尽量降低步进电动机的输出相电流，这样可以节省电能，从而延长机器人的连续作业距离。一旦检测出步进电动机因过载而产生失步，模糊控制器便及时增大电动机的输出相电流，以提高其输出转矩，从而达到及时纠正电动机过载失步的目的，确保机器人能够继续正常工作。载体电动机过载调整模糊控制器以误差e和误差变化率ec为输入，并根据直觉和操作经验设计出模糊控制规则（如表1所示）。当载体驱动步进电动机的实际运行步数f小于控制脉冲数f0时，表明电动机处于失步状态。步进电动机产生失步的原因主要有两个，一个是负载过大，另一个是脉冲频率大于电动机的最高连续运行频率。由于清淤机器人的运行速度不高，所以不可能出现第二种情况，于是，通过失步现象就可以判断出步进电动机出现了过载。模糊控制器根据电动机过载的严重程度（用e表示）及其变化趋势（用ec表示）输出一个控制量即相电流变化△i，从而实现步进电动机相电流的自动调节。图1为清淤机器人电动机过载调整模糊控制框图，其中i0为载体步进电动机的初始相电流，而“电流调整”的作用是将由i=i0+△i计算出的电流值向上圆整为步进电动机驱动器输出相电流系列值iZ。3图1载体电动机过载调整模糊控制框图表1载体电动机过载调整模糊控制规则表ZOPSPMPBNBZOPSPMPBNSZOPSPMPBZOZOPSPMPBPSPSPMPMPBPBPSPMPBPB2利用MATLAB和Simulink实现清淤机器人模糊控制器的设计与仿真MATLAB是美国Mathworks公司开发的基于矩阵运算的可视化数值计算软件，它包含了一系列面向不同学科、不同专业的工具箱，为各个领域数值计算问题的求解提供了强有力的支持。利用MATLAB中的模糊逻辑工具箱及其面向控制领域推出的动态建模和仿真工具Simulink，可以方便地实现模糊控制器的设计与仿真，使设计者能够尽快地掌握模糊控制的特性、直观地观察其控制效果，并以此指导优化设计，从而大大地简化了控制器的仿真过程，缩短了设计周期，控制系统的设计精度得到提高。在MATLAB的命令窗口中键入Fuzzy命令，进入模糊逻辑工具箱。通过模糊推理系统编辑器（FISEditor）、隶属函数编辑器（MembershipFunctionEditor）及规则编辑器(RuleEditor)，确定输入变量、输出变量的论域和隶属函数以及模糊规则；然后，存盘生成模糊推理系统文件*.fis。至此建立了一个模糊控制器。与MATLAB不同，Simulink使用的是图形编辑语言。在Simulink环境下，利用鼠标将图形化模块拖至模型窗口中，便可以方便地构建起模制系统的仿真模型（如图2所示）。在进行模糊逻辑仿真时，首先进入MATLAB的模糊推理系统编辑器，从磁盘中调入已保存的FIS文件，再将它存入工作空间，然后在仿真模型的FuzzyLogicController模块中输入FIS文件的文件名，4但是不要输入扩展名，这样便将FIS文件加载到了模糊控制器模块中。在设定好仿真时间和仿真步长等参数后，即可开始模糊控制器的仿真过程。在单位阶跃输入下，清淤机器人模糊控制系统的仿真结果如图3所示。仿真结果表明，模糊控制系统的稳态性能较好，没有出现超调和振荡现象，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力，仿真结果与预期的控制效果基本一致。3结论在排水管道清淤机器人的控制设计中，引入模糊控制理论对步进电动机过载实施自动纠正与调整。仿真结果表明，模糊控制算法的应用可以获得预期的控制效果，因此是可行和有效的。本文所提出的模糊控制思想亦可用于其他类似场合下的步进电动机控制。图2清淤机器人载体驱动电动机过载调整模糊控制器的仿真模型图3移动载体步进电动机过载调整模糊控制的仿真结果5参考文献1诸静．模糊控制原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，20032施阳．Matlab语言精要及动态仿真工具Simulink[M]．西安：西北工业大学出版社，19983刑春贵，何熙文．模糊控制系统的MATLAB仿真与应用[J]．微处理机，2004(1)：34-374刘铁湘，陈林康．模糊控制在伺服系统中的应用及其仿真[J]．电机电器技术，2003(2)：38-406