基于MATLAB和Simulink的管道清淤机器人模糊控制设29935.docx

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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 蔡玉强强 段润保保河北理工大学摘要：清淤机器器人用于城市市排水管道的的自动清理工工作。针对排排水管道中的的情况十分复复杂、负载具具有较大的不不确定性的特特点，提出了了模糊控制算算法以自动纠纠正步进电动动机由于过载载而引起的失失步，并利用用MATLAAB和Simmulinkk对模糊控制制器进行了设设计与仿真。仿仿真结果表明明，模糊控制制算法的引入入获得了预期期的控制效果果。该设计思思想对相似场场合下的步进进电动机控制制也具有一定定的借鉴作用用。关键词：模糊控控制 MATTLAB SSimuliink 管道道清淤机器人人D

2、esign and SSimulaation of Fuuzzy CControol forr the Drainn Pipee CleaaningRobot BBased on MAATLAB and SSimuliinkWang Feeng CCai Yuuqiangg Duaan RunnbaoAbstracct：Thee draiin pippe cleeaningg roboot is used to cllean tthe seewers autommaticaally. In acccordaance wwith tthe coomplexxity iinsidee the pi

3、pess and the uundefiined lload, the ffuzzy algorrithmss are preseented to coontroll the stallling oof thee steppping motorr due to thhe oveerloadd. Thee desiign annd simmulatiion off the fuzzyy conttrolleer is conduucted by meeans oof MATTLAB aand Siimulinnk. Thhe simmulatiing reesultss showw thatt

4、the expeccted ccontrool efffect hhas beeen prroduceed beccause of thhe inttroducction of fuuzzy ccontrool. Thhe conncept of deesign can aalso bbe useed in the ccontrool of the ssteppiing mootors in otther ssimilaar sittuatioons.Keywordds：fuzzzy Coontroll MATTLAB SSimuliink ddrain pipe cleanning rrob

5、ot7管道清淤机器人人是一种用于于城市排水管管道自动清理理工作的新型型清淤作业装装置，它采用用有缆工作方方式，通过所所拖带的电缆缆从地面获得得动力以及操操作人员的作作业指令，并并将其运动状状态信息反馈馈给地面控制制装置，因此此其主要机械械组成为移动动载体、清淤淤刀具和电缆缆收放装置等等，各由一台台配备有光电电编码器的步步进电动机进进行驱动。清淤机器人在排排水管道中进进行作业时经经常会遇到一一些难以预料料的情况，因因此驱动步进进电动机极易易出现过载现现象。本文提提出了一种模模糊控制算法法，用于自动动纠正步进电电动机由于过过载而引起的的失步。1 清淤机器器人模糊控制制研究排水管道中的状状况十分复杂

6、杂，比如管道道内壁* 河北省教教育厅科学研研究项目资助助（20044432）可能有不规则的的形状缺陷，尤尤其是在管道道和检查井的的连接处；管管道内可能存存留体积较大大的废弃物；由于地面的的自然沉降可可能导致两段段管道之间存存在错管现象象等，这些都都可能造成载载体所受载荷荷超过预期值值，致使驱动动步进电动机机因过载而产产生失步。为为了纠正这一一现象，本文文提出了移动动载体驱动步步进电动机过过载调整模糊糊控制器的设设计思想。鉴于机器人载体体在排水管道道中行进时所所受到的载荷荷具有较大的的不确定性，故故选择大容量量步进电动机机以应对可能能遇到的恶劣劣状况。另外外，为了适应应流动作业的的需要，机器器人

7、工作所需需电源取自配配套工程车上上的电瓶。因因此，在能够够满足负载要要求的情况下下，应尽量降降低步进电动动机的输出相相电流，这样样可以节省电电能，从而延延长机器人的的连续作业距距离。一旦检检测出步进电电动机因过载载而产生失步，模糊控控制器便及时时增大电动机机的输出相电电流，以提高高其输出转矩矩，从而达到到及时纠正电电动机过载失失步的目的，确确保机器人能能够继续正常常工作。载体电动机过载载调整模糊控控制器以误差差e和误差变化化率ec为输入，并并根据直觉和和操作经验设设计出模糊控控制规则（如如表1所示）。当当载体驱动步步进电动机的的实际运行步步数f小于控制脉脉冲数f0时，表明电电动机处于失失步状态

8、。步步进电动机产产生失步的原原因主要有两两个，一个是是负载过大，另另一个是脉冲冲频率大于电电动机的最高高连续运行频频率。由于清清淤机器人的的运行速度不不高，所以不不可能出现第第二种情况，于于是，通过失失步现象就可可以判断出步步进电动机出出现了过载。模模糊控制器根根据电动机过过载的严重程程度（用e表示）及其其变化趋势（用用ec表示）输输出一个控制制量即相电流流变化i，从而实现现步进电动机机相电流的自自动调节。图图1为清淤机机器人电动机机过载调整模模糊控制框图图，其中i0为载体步进进电动机的初初始相电流，而而“电流调整”的作用是将将由i= ii0+i计算出的电电流值向上圆圆整为步进电电动机驱动器器

9、输出相电流流系列值iZ。图1 载体电动动机过载调整整模糊控制框框图表1 载体电电动机过载调调整模糊控制制规则表ZOPSPMPBNBZOPSPMPBNSZOPSPMPBZOZOPSPMPBPSPSPMPMPBPBPSPMPBPB2 利用MAATLAB和和Simullink实现现清淤机器人模糊控控制器的设计计与仿真MATLAB是是美国Matthworkks公司开发发的基于矩阵阵运算的可视视化数值计算算软件，它包包含了一系列列面向不同学学科、不同专专业的工具箱箱，为各个领领域数值计算算问题的求解解提供了强有有力的支持。利利用MATLLAB中的模模糊逻辑工具具箱及其面向向控制领域推推出的动态建建模和仿

10、真工工具Simuulink，可可以方便地实实现模糊控制制器的设计与与仿真，使设设计者能够尽尽快地掌握模模糊控制的特特性、直观地地观察其控制制效果，并以以此指导优化化设计，从而而大大地简化了控制器的的仿真过程，缩缩短了设计周周期，控制系系统的设计精精度得到提高高。在MATLABB的命令窗口口中键入Fuuzzy命令令，进入模糊糊逻辑工具箱箱。通过模糊糊推理系统编编辑器（FIIS Ediitor）、隶隶属函数编辑辑器（Memmbershhip Fuunctioon Ediitor）及规则编辑辑器(Rulle Ediitor)，确确定输入变量量、输出变量量的论域和隶隶属函数以及及模糊规则；然后，存盘盘

11、生成模糊推推理系统文件件*.fiss。至此建立立了一个模糊糊控制器。与MATLABB不同，Siimulinnk使用的是是图形编辑语语言。在Siimulinnk环境下，利利用鼠标将图图形化模块拖拖至模型窗口口中，便可以以方便地构建建起模制系统统的仿真模型型（如图2所所示）。在进进行模糊逻辑辑仿真时，首首先进入MAATLAB的的模糊推理系系统编辑器，从从磁盘中调入入已保存的FFIS文件，再再将它存入工工作空间，然然后在仿真模模型的Fuzzzy LoogicControlller模块块中输入FIIS文件的文文件名，但是是不要输入扩扩展名，这样样便将FISS文件加载到到了模糊控制制器模块中。在在设定好

12、仿真真时间和仿真真步长等参数数后，即可开开始模糊控制制器的仿真过过程。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在单位阶跃输入入下，清淤机机器人模糊控控制系统的仿仿真结果如图图3所示。仿仿真结果表明明，模糊控制制系统的稳态态性能较好，没没有出现超调调和振荡现象象，具有较强强的鲁棒性和和抗干扰能力力，仿真结果果与预期的控控制效果基本本一致。图3 移动载体步进电动机过载调整模糊控制的仿真结果 3 结论在排水管道清淤淤机器人的控控制设计中，引引入模糊控制制理论对步进进电动机过载载实施自动纠纠正与调整。仿仿真结果表明明，模糊控制制算法的应用用可以获得预预期的控制效效果，因此是是可行和有效效的。本文所所提出的模糊糊控制思想亦亦可用于其他他类似场合下下的步进电动动机控制。参考文献1 诸静模糊糊控制原理与与应用M北京：机机械工业出版版社，200032 施阳Maatlab语语言精要及动动态仿真工具具SimullinkMM西安：西北工业大大学出版社，119983 刑春贵，何何熙文模糊糊控制系统的的MATLAAB仿真与应应用J微处理机，22004(11)：34-374 刘铁湘，陈陈林康模糊糊控制在伺服服系统中的应应用及其仿真真J电电机电器技术术，20033(2)：338-40