孫 超，劉世聰

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

李 勇，周 慶，殷美艷

(大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠, 黑龍江 大慶 163113)

基于T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手控制方案設(shè)計(jì)研究

孫 超，劉世聰

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

李 勇，周 慶，殷美艷

(大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠, 黑龍江 大慶 163113)

機(jī)械手軌跡跟蹤控制問題在機(jī)器人研究領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，現(xiàn)在已有很多控制方法，但是控制效果都不夠理想。設(shè)計(jì)了基于T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手軌跡跟蹤控制方案，用改進(jìn)自適應(yīng)遺傳算法與BP算法相結(jié)合的混合學(xué)習(xí)算法來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值。仿真試驗(yàn)表明，該控制方案能很好地控制機(jī)械手的軌跡跟蹤，因而是可行且有效的。

機(jī)械手；T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；BP算法；遺傳算法

機(jī)械手是一個(gè)多輸入多輸出、強(qiáng)耦合、高度時(shí)變和非線性的系統(tǒng)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種智能控制的工業(yè)生產(chǎn)中，其中機(jī)械手軌跡跟蹤是研究熱點(diǎn)，近年來研究者已經(jīng)提出許多機(jī)械手軌跡跟蹤控制方法，如傳統(tǒng)PID控制、計(jì)算力矩控制、魯棒控制[1]、變結(jié)構(gòu)控制[2]、自適應(yīng)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，但上述方法的控制效果都不夠理想。鑒于此，筆者對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在2關(guān)節(jié)機(jī)械手控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，給出一種基于T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手軌跡跟蹤控制方案，用自適應(yīng)遺傳算法(簡稱GA算法)與BP算法相結(jié)合的混合學(xué)習(xí)算法來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，最后對機(jī)械手進(jìn)行仿真。

1 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型及控制方案

1.1動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)方程[3]如下：

(1)

圖1 T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案

針對2關(guān)節(jié)機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型，采用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中qd1和qd2是2關(guān)節(jié)的期望位置；q1和q2是2關(guān)節(jié)的實(shí)際位置；e1、e2分別是2關(guān)節(jié)的誤差；ec1、ec2分別是相應(yīng)的誤差變化率；ke1、ke2、kec1和kec2分別是誤差及誤差變化率的量化因子；ku1、ku2分別為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的比例因子;

τ1、τ2分別是作用于關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)矩。

2 T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法

2.1T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示。從圖2可以看出，該網(wǎng)絡(luò)由前件網(wǎng)絡(luò)和后件網(wǎng)絡(luò)2部分組成，前件網(wǎng)絡(luò)用來匹配模糊規(guī)則的前件，后件網(wǎng)絡(luò)用來產(chǎn)生模糊規(guī)則后件。前件網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似。后件網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的并列子網(wǎng)絡(luò)組成，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生1個(gè)輸出量。后件網(wǎng)絡(luò)為1個(gè)3層網(wǎng)絡(luò)，第1層是輸入層，將輸入量傳入第2層，其中第0個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入值x0=1，用來提供模糊規(guī)則后件中的常數(shù)項(xiàng)。第2層是計(jì)算每條規(guī)則的后件，該層具有m個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表1個(gè)規(guī)則，即：

yjk=p0jk+p1jke1+p2jkec1+p3jke2+p4jkec2j=1，2，…，mk=1，2

(2)

第3層是計(jì)算系統(tǒng)的輸出，即：

(3)

2.2T-S型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法

圖2 T-S模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖3 混合學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練程序流程圖

3 仿真試驗(yàn)

(4)

對機(jī)械手軌跡跟蹤進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果分別如圖4、5所示。圖4和 圖5分別給出了關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的軌跡跟蹤曲線，其中實(shí)線為期望跟蹤曲線，虛線為采用混合算法的跟蹤曲線。從圖4和圖5可以看出，采用混合算法的跟蹤曲線很快跟蹤上期望曲線。仿真試驗(yàn)表明，混合學(xué)習(xí)算法收斂速度快，具有較好的性能，對機(jī)械手的控制達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 關(guān)節(jié)1的軌跡跟蹤曲線 圖5 關(guān)節(jié)2 的軌跡跟蹤曲線

4 結(jié) 語

提出了T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手軌跡跟蹤控制方案，并用改進(jìn)的混合學(xué)習(xí)算法對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，最后對機(jī)械手軌跡進(jìn)行跟蹤控制試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，該控制方案能很好地控制機(jī)械手的軌跡跟蹤，因而是可行且有效的。

[1]朱甦，陳再良.二自由度機(jī)械手魯棒跟蹤控制器的一種設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006，25(2)：189-191.

[2] 葉多芳，葛為民.四自由度機(jī)械手的滑模變結(jié)構(gòu)軌跡跟蹤控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(6)：6-8.

[3] 馮川，孫增圻，孫富春.機(jī)械手動(dòng)態(tài)T-S神經(jīng)模糊 控制器設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1998，45(1)：73-76.

[4] 關(guān)學(xué)忠，劉鐵男.模糊控制理論與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.04.029

TP241

A

1673-1409(2011)04-0089-03