机器人控制技术毕业论文.doc

摘 要为了使机器人完成各种调控手段执行不同的任务和行动。作为一个计算机系统，领先的技术，计算机控制技术，其中包括非常广泛，从智能机器人，任务的描述来控制伺服运动控制技术。以实现各种硬件系统的控制都需要的，并且包括各种软件系统。第一机械手控制方法使用顺序的，与计算机，机器人使用的计算机系统的整合的机械和电气设备的功能，以及使用的教学和重放控制的。随着信息技术和控制技术的发展，以及扩大机器人的范围内，智能控制技术，机器人正朝着的方向发展，它已经离线编程，高级语言任务，多传感器信息融合，智能控制行为等新技术。技术将促进各种智能机器人的发展。当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。pid（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（kp， ti和td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。关键词：机器人，机器人控制，pid，自动控制abstractto enable the robot to complete a variety of control means various tasks and actions performed. as a computer system, the key technology, computer control technology, including a very wide range, from the robot intelligent, task description to the motion control and servo control technology. both needed to achieve control of various hardware systems, and includes a variety of software systems. the first robot uses sequential control mode, with the development of the computer, the robot uses a computer system to integrate the functions of mechanical and electrical equipment, and the use of teaching and playback control. with the development of information technology and control technology, and expanding the scope of application of the robot, intelligent robot control technology is moving in the direction of development, there has been off-line programming, task-level language, multi-sensor information fusion, intelligent behavior control and other new technologies. technology will facilitate the development of a variety of intelligent robots.todays automatic control techniques are based on the concept of feedback. elements feedback theory consists of three parts: the measuring, comparing and implementation. variable measurements concern, compared with expectations, with the error correction control system response regulator. the key to the theory and application of automatic control is made after the correct measure and compare, how best to correct the system.pid (proportional - integral - derivative) controller as the first practical controller has 50 years of history, and still is the most widely used industrial controller. pid controller is easy to understand, without the use of an accurate system model prerequisites, and thus become the most widely used controller.it is due to the widespread use, flexible, has a series of products, the use of simply setting three parameters (kp, ti and td) can be. in many cases, it does not necessarily require all three units, which may take one to two units, but the ratio is essential to the control unit.keywords: robots, robot control, pid, automatic control引言信息技术是当前高技术发展中的主流技术，它的发展对其它技术会产生极大的影响。机器人技术将借助信息技术而发展，及利用先进网络通讯技术发展网络机器人就是有说服力的例子，这两者的结合是必然的趋势1。随着网络技术的发展，网络技术已逐渐渗透到各个领域。基于网络的机器人控制就是利用网络实现远程的机器人控制。网络的传输速率，时间迟延，数据丢失等是基于网络的机器人控制所面临的问题。一些有效的处理方法和控制方案已经被应用到基于网络的机器人遥操作中2。互联网的飞速发展进一步促进了网络技术在机器人控制领域的应用。基于网络的机器人控制技术也从初期的遥操作机器人的应用逐渐扩展到自主机器人和分布式机器人系统等研究领域。通过因特网对机器人实施实时控制是一项具有挑战性的工作，这一技术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有良好的发展趋势和广阔的应用前景。目 录摘要.i引言. 第1章绪论.11.1机器人控制系统.11.2机器人控制系统的特点.11.3工业机器人控制系统的分类.21.4机器人控制的关键技术.2第2章机器人pid控制.22.1pid控制器的组成.22.2 pid控制器的参数选取.32.3pid控制器的研究现状.42.4pid控制器的不足.5第3章pid控制的原理和特点.53.1pid控制的原理.53.2 pid控制器三参数对系统的影响.73.3pid控制的特点.8总结.9参考文献.10iv第1章 绪论1.1 机器人控制系统机器人控制系统是机器人的脑，是决定机器人的功能和性能的一个主要因素。工业控制技术机器人的主要任务是控制工作区中的位置，姿态和轨迹，操作顺序和操作时间的工业机器人的运动。通过简单的编程软件菜单操作，友好的人机交互界面，在线运行速度快，使用方便等特点。1.2机器人控制系统的特点工业控制技术，开发基于机器人控制技术，以传统的机械系统，所以没有根本性的变化，但工业机器人的控制系统和传统的机械系统两者之间还具有许多特殊的功能。其特征如下：（1）工业机器人有若干个关节，典型工业机器人有五六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。（2）工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。（3）工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。（4）较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。1.3工业机器人控制系统的分类工业机器人控制系统可以从不同角度分类，如控制运动的方式不同，可为关节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制、力控制。程序控制系统：给每个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。因而本系统是一种自适应控制系统。1.4 机器人控制的关键技术关键技术包括：(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式cpu计算机结构，分为机器人控制器(rc)，运动控制器(mc)，光电隔离i/o控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(rc)和编程示教盒通过串口/can总线进行通讯。机器人控制器(rc)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字i/o、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。(4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。第2章 机器人pid控制2.1 pid控制器的组成pid控制器由比例单元（p）、积分单元（i）和微分单元（d）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为u(t)=kp(e(t)+1/tie(t)dt+td*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：g(s)=u(s)/e(s)=kp(1+1/(ti*s)+td*s)；其中kp为比例系数；ti为积分时间常数；td为微分时间常数。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（kp， ti和td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，pid应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样pid就可控制了。其次，pid参数较易整定。也就是，pid参数kp，ti和td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，pid参数就可以重新整定。2.2 pid控制器的参数选取 pid控制器调节参数的核心内容是控制系统的设计。它坐落在控制过程pid控制器具有一个比例系数，积分时间和微分时间的大小。第一，理论调整计算：许多pid控制器参数整定方法，在两类总结出来的。它主要是基于系统的数学模型，通过理论计算来确定的控制器参数。通过该方法获得的数据的计算不能直接使用，应调整和由实际工程改性。二是调整方法的作品，它主要依赖于测试工程控制系统直接经验，而且方法简单，容易理解，在工程实践中被广泛使用。工程pid控制器参数整定方法有临界比例法，反应曲线和破坏。三种方法各有其特点，其共同点是通过工程判断和经验，按照控制器整定参数的计算公式。但是，不管是什么类型与方法获得控制器参数采用，我们需要一个最后的调整和完善在实际操作中。目前常用的方法是至关重要的报告。调谐步骤采用此方法的参数pid控制器如下：pid控制器参数调整基本原则：被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。试凑法确定pid控制器参数试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度,边观察系统的运行,边修改参数,直到满意为止。一般情况下,增大比例系数kp会加快系统的响应速度,有利于减少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡使稳定性变差。减小积分系数ki将减少积分作用,有利于减少超调使系统稳定,但系统消除静差的速度慢。增加微分系数kd有利于加快系统的响应,是超调减少,稳定性增加,但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时,一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势,对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。1、比例部分整定 首先将积分系数ki和微分系数kd取零,即取消微分和积分作用,采用纯比例控制。将比例系数kp由小到大变化,观察系统的响应,直至速度快,且有一定范围的超调为止。如果系统静差在规定范围之内,且响应曲线已满足设计要求,那么只需用纯比例调节器即可。2、积分部分整定 如果比例控制系统的静差达不到设计要求,这时可以加入积分作用。在整定时将积分系数ki由小逐渐增加,积分作用就逐渐增强,观察输出会发现,系统的静差会逐渐减少直至消除。反复试验几次,直到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大,应适当的降低一点比例系数kp。3、微分部分整定 若使用比例积分(pi)控制器经反复调整仍达不到设计要求,或不稳定,这时应加入微分作用,整定时先将微分系数kd从零逐渐增加,观察超调量和稳定性,同时相应地微调比例系数kp、积分系数ki,逐步使凑,直到满意为止。2.3 pid控制器的研究现状虽然有这些缺点，pid控制器是最简单的有时却是最好的控制器。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的pid控制器产品，各大公司均开发了具有pid参数自整定功能的智能调节器，其中pid控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。2.4 pid控制器的不足在一些情况下针对特定的系统设计的pid控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了pid参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的pid参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的pid控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算pid参数。pid在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果pid控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。第3章 pid控制的原理和特点3.1 pid控制的原理pid（proportional integral differential）控制是比例、积分、微分控制的简称。 pid控制器的原理是将偏差（设定值与实际输出值的差）的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其原理图如下：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。pid控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用pid控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用pid控制技术。pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（p）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（i）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是微分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。(1)定义设定值与实际输出值的偏差则pid的控制算法的表达式为：其中：kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，e(t)为pid控制器的输入，u(t)为pid控制器的输出。（2）pid控制器的传输函数为：3.2 pid控制器三参数对系统的影响比例环节：成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数ti，ti越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。3.3 pid控制的特点在pid 控制中，积分控制的特点是：只要还有余差（即残余的控制偏差）存在，积分控制就按部就班地逐渐增加控制作用，直到余差消失。所以积分的效果比较缓慢，除特殊情况外，作为基本控制作用，缓不救急。微分控制的特点是：尽管实际测量值还比设定值低，但其快速上扬的冲势需要及早加以抑制，否则，等到实际值超过设定值再作反应就晚了，这就是微分控制施展身手的地方了。作为基本控制使用，微分控制只看趋势，不看具体数值所在，所以最理想的情况也就是把实际值稳定下来，但稳定在什么地方就要看你的运气了，所以微分控制也不能作为基本控制作用。比例控制没有这些问题，比例控制的反应快，稳定性好，是最基本的控制作用，是 “皮”，积分、微分控制是对比例控制起增强作用的，极少单独使用，所以是”毛”。在实际使用中比例和积分一般一起使用，比例承担主要的控制作用，积分帮助消除余差。微分只有在被控对象反应迟缓，需要在开始有所反应时，及早补偿，才予以采用。只用比例和微分的情况很少见。总结机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。机器人技术涉及计算机、电子、控制等多学科专业，是近年来高新技术发展的一个重要领域和研究热点。随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控