基于體育輔助運動機器人的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的研究與分析＊

茍小平,張萬軍,張 峰,張景軒,張景怡,張景妍

（1.隴東學(xué)院，甘肅慶陽745000；2.甘肅澤德電子技術(shù)有限公司，甘肅天水741003；3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司，甘肅蘭州730050；4.蘭州大學(xué) 甘肅 蘭州 730050）

1 問題的提出

目前，體育教學(xué)及體育訓(xùn)練主要以體力鍛煉輸出負(fù)載與體育教學(xué)的經(jīng)驗灌輸為代價，存在體育鍛煉及體育競技運動周期長、損傷風(fēng)險大，單一被動式體育訓(xùn)練及體育鍛煉特征缺陷明顯[1-2]。近年來已經(jīng)有相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用到體育運動及體育康復(fù)鍛煉的實際之中，有體育足球鍛煉的機器人、打羽毛球的機器人、爬步機器人、體育教學(xué)及訓(xùn)練[3-8]的機器人。

體育輔助運動機器人的控制環(huán)節(jié)主要有無刷電機的PID控制[9-10]、交叉耦合控制[11-12]、自適應(yīng)控制[13]等。甘肅澤德電子技術(shù)有限公司的教授級高工、高級經(jīng)濟(jì)師、博士張萬軍等人研究了一些模型辨識控制系統(tǒng)及交叉耦合控制[14-22]體育鍛煉輔助機器人。

本文給出了一種基于體育輔助運動機器人的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的算法，建立了一種基于體育輔助運動機器人的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，利用MATLAB進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：采用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的跟蹤精度更高，相比于傳統(tǒng)的PID控制，位置誤差縮小了50%,引入擾動時，轉(zhuǎn)速波動大幅降低，抗擾動能力明顯提升。實驗在隴東學(xué)院體育學(xué)院實驗取得良好的效果；同時，在其它的地方體育的教學(xué)和訓(xùn)練具有較強的借鑒意義。

2 體育輔助運動機器人驅(qū)動部件的數(shù)學(xué)模型

為了克服PID控制算法的抗柔性能力較差、位置控制精度不高等問題，設(shè)計出了體育輔助運動機器人的速度模糊PID控制系統(tǒng)：

計算得到：

根據(jù)式（2）的形式，單神經(jīng)元控制器中，輸入層可以設(shè)為 5 個輸入，分別是 e（k）、e（k-1）、e（k-2）、e（k）、u（k-1）、u（k）,其中，e（k）為給定和反饋的誤差值；輸出層為u（k）;權(quán)值為 ω1（k）、ω2（k）、ω3（k）控制器的輸出為

在設(shè)計單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器時，需要注意學(xué)習(xí)規(guī)則的選取、神經(jīng)元比例系數(shù)的選取、學(xué)習(xí)率的選取等。

3 神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的設(shè)計

在攀爬建筑物的過程中，體育輔助運動機器人經(jīng)常受到許多外部因素的影響，如乘客的姿勢和體重的差異，以及運動訓(xùn)練機器人輔助機器人傾斜角的差異，參數(shù)已更改。PID控制器不能根據(jù)被控對象參數(shù)的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，控制效果往往很差。因此，在神經(jīng)元自適應(yīng)控制系統(tǒng)及PID控制系統(tǒng)，本文設(shè)計的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 仿真結(jié)果與實驗分析

仿真條件參數(shù)設(shè)置如下：質(zhì)量之和約為130kg，重力G為130N，轉(zhuǎn)速設(shè)定為電機額定轉(zhuǎn)速3000r/min，通過調(diào)節(jié)負(fù)載使原電機在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下以額定功率驅(qū)動運行。所選BLDC電機極對ρn=4,定子電感Ld=La=30mH,定子電阻r=7Ω,電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)fm=0.12556（Nm/A）,轉(zhuǎn)動慣量 1.39×10-6（kg·m2）。

4.1 神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的影響因素分析

4.1.1 速度（穩(wěn)定性）誤差的問題分析

體育輔助運動機器人的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的速度（穩(wěn)定性）誤差曲線，如圖2～3所示。

圖2 速度（穩(wěn)定性）誤差曲線1

圖3 速度（穩(wěn)定性）誤差曲線2

仿真結(jié)果表明：在體育輔助運動機器人速度控制系統(tǒng)中，模糊PID控制優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，誤差小，穩(wěn)定性和舒適性強。

4.1.2 跟蹤精度（位置）誤差的問題分析

體育輔助運動機器人的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的跟蹤精度（位置）誤差曲線，如圖4～5所示。

圖4 跟蹤精度（位置）誤差曲線1

圖5 跟蹤精度（位置）誤差曲線2

采用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的跟蹤精度更高，相比于傳統(tǒng)的PID控制，位置誤差縮小了50%,引入擾動時，轉(zhuǎn)速波動大幅降低，抗擾動能力明顯提升。

4.2 實際測試實驗

實驗在隴東學(xué)院體育由茍小平副教授進(jìn)行實驗，實驗數(shù)據(jù)的分析由甘肅省澤德電子技術(shù)有限公司的教授級高級工程師、高級經(jīng)濟(jì)師、博士張萬軍進(jìn)行對照實驗，說明對照組實驗有非常顯著性差異。體育輔助運動機器人的照片，如圖6所示。

圖6 體育輔助運動機器人的照片

符合實際教學(xué)和體育鍛煉的需要，證明了體育輔助運動機器人在高校教學(xué)的可行性，在隴東學(xué)院體育學(xué)院實驗取得良好的效果；同時，在其他的地方體育的教學(xué)和訓(xùn)練具有較強的借鑒意義。

5 結(jié)論

1）本文給出了一種基于體育輔助運動機器人的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的算法，建立了一種基于體育輔助運動機器人的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，利用MATLAB進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：采用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的跟蹤精度更高，相比于傳統(tǒng)的PID控制，位置誤差縮小了50%,引入擾動時，轉(zhuǎn)速波動大幅降低，抗擾動能力明顯提升。

2）實驗在隴東學(xué)院體育學(xué)院實驗取得良好的效果；同時，在其他的地方體育的教學(xué)和訓(xùn)練具有較強的借鑒意義。