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基于改进遗传算法的幕墙清洗机器人姿态PID控制参数整定

高博 吴明晖 胡和平 杨晨

高博, 吴明晖, 胡和平, 杨晨. 基于改进遗传算法的幕墙清洗机器人姿态PID控制参数整定[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(4): 429-436, 464. doi: 10.12299/jsues.24-0007
引用本文: 高博, 吴明晖, 胡和平, 杨晨. 基于改进遗传算法的幕墙清洗机器人姿态PID控制参数整定[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(4): 429-436, 464. doi: 10.12299/jsues.24-0007
GAO Bo, WU Minghui, HU Heping, YANG Chen. Attitude PID control parameter tuning of curtain wall cleaning robot based on improved genetic algorithm[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(4): 429-436, 464. doi: 10.12299/jsues.24-0007
Citation: GAO Bo, WU Minghui, HU Heping, YANG Chen. Attitude PID control parameter tuning of curtain wall cleaning robot based on improved genetic algorithm[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(4): 429-436, 464. doi: 10.12299/jsues.24-0007

基于改进遗传算法的幕墙清洗机器人姿态PID控制参数整定

doi: 10.12299/jsues.24-0007
基金项目: 上海市自然科学基金资助(21ZR1425900)
详细信息
    作者简介:

    高博:高 博(2000−),男,硕士生,研究方向为移动机器人、稳定控制。E-mail:naclgao@163.com

    通讯作者:

    吴明晖(1973−),男,副教授,博士,研究方向为移动机器人等。E-mail:wuminghui@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TP242.2

Attitude PID control parameter tuning of curtain wall cleaning robot based on improved genetic algorithm

  • 摘要: 针对高楼幕墙清洗机器人姿态PID参数整定耗时长,误差大的问题,提出一种改进遗传算法(improved genetic algorithm, IGA)。引入halton序列作为初始种群,在交叉和变异环节引入自适应动态调节机制,提出综合性能更好的改进时间加权绝对误差积分(improved integral of time-weighted absolute error, IITAE)评价指标函数。使用IGA以及人工经验法、AGPSO算法、GA算法等进行PID参数整定试验,结果表明,IGA算法的整定结果在目标函数值上较其他算法提高20%以上;在收敛时间上降低50%以上。IGA方法设计的控制器能够实现机器人姿态的稳定控制,在幕墙清洗机器人空中姿态的稳定控制方面,具有较好的应用价值。
  • 图  1  幕墙清洗机器人试验样机

    Figure  1.  Curtain wall cleaning robot test prototype

    图  2  幕墙清洗机器人越障原理图

    Figure  2.  Schematic diagram of barrier crossing for curtain wall cleaning robot

    图  3  串级PID控制结构框图

    Figure  3.  Cascade PID control structure block diagram

    图  4  遗传算法优化PID控制系统参数的原理图

    Figure  4.  Schematic diagram of optimizing PID control system parameters by genetic algorithm

    图  5  幕墙清洗机器人位置姿态控制系统仿真框图

    Figure  5.  Curtain wall cleaning robot position attitude control system simulation block diagram

    图  6  3个通道控制仿真框图

    Figure  6.  Three channel control simulation block diagram

    图  7  4种方法对应的系统开环Bode图

    Figure  7.  Corresponding system open-loop Bode diagram of four methods

    图  8  4种方法仿真结果图

    Figure  8.  Four methods simulation result graphs

    图  9  室外试验场景

    Figure  9.  Outdoor experimental scene

    图  10  无控制器机器人姿态

    Figure  10.  Robot attitude without controller

    图  11  有控制器机器人姿态

    Figure  11.  Robot attitude with controller

    表  1  算法主要参数

    Table  1.   Main parameters of algorithm

    算法 参数 取值
    AGPSO 惯性系数最小值ωmin 0.6
    惯性系数最大值ωmax 0.9
    学习因子C1初始值C1begin 2.2
    学习因素C1最终值C1end 0.8
    学习因子C2初始值C2begin 0.8
    学习因素C2最终值C2end 2.2
    GA 交叉概率Pc 0.6
    变异概率Pm 0.08
    IGA 交叉概率最小值Pcmin 0.5
    交叉概率最大值Pcmax 0.9
    变异概率最小值Pmmin 0.005
    变异概率最大值Pmmax 0.09
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    表  2  4种方法整定结果

    Table  2.   Tuning results of four methods

    参数 经验法 AGPSO GA IGA
    Kp1 40 71.7452 52.4645 11.5132
    Ki1 2 0.5627 5.7563 2.5258
    Kd1 0.01 3.2768 1.4225 0.7854
    Kp2 23.5 12.7365 34.5148 23.4314
    Ki2 1.23 0.8685 15.4132 1.3391
    Kd2 2.1 12.8285 0.2154 5.1437
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2024-01-08
  • 刊出日期:  2024-12-31

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