【《机器人手臂控制系统设计与仿真分析案例》2000字】

机器人手臂控制系统设计与仿真分析案例1.1常规PID控制算法测量、比较和执行这三个部分构成了反馈理论。检查被控量期望值是测量的重要部分，之后再进行调整。实际应用最广泛的调节器是由比例、积分和微分控制构成的，也就是PID控制。图4-1PID控制系统原理框图（1）PID控制含义PID控制器的输入量与输出量表达式为：（4-1）它的传递函数为：（4-2）式中，为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。表4-1PID调节数值与系统响应时间的变化关系参数名称上升时间超调量过渡过程时间静态误差减小增大微小变化减小减小增大增大消除微小变化减小减小微小变化（2）PID控制用途通常状况下，PID三个单元都不是必须的，但可以取一两个，只有比例控制单元是必须的。首先，PID具有广阔的应用范围。通过简便化非线性的操作过程，可以转化为基本的线性系统，并且不根据时间变化，这样我们就可以控制PID系统了。其次，PID各个性能指标很容易控制。我们能够通过调节过程的性质，从而调节PID参数、和REF_Ref266\r\h【3】。（3）PID调节方法PID参数自整定控制器可以选择外部给定控制功能，可以代替伺服放大器直接驱动执行器（如阀门等）。PID外面设置的控制系统能够自己跟随设定好的参数进行控制输出，可以实现自动或者手动无扰动切换，通过逼近法实现手动和自动之间的平滑切换REF_Ref29815\r\h【24】。在模拟PID控制算法的基础上，用采样时刻点kt代替连续时间t，用矩形数值积分逼近代替积分，用一阶后向差分逼近代替微分，如用下式表达数字PID控制：（4-3）4）PID控制参数调整PID控制器的参数整定是系统控制的主要部分由系统被控制产生的运动特性，可以知道各项参数。PID控制器对于参数值的修改有很多种方法，大方向有两大类：第一类是理论计算整定法。它是在整个系统结构的数学参数上，通过精确地反复计算演绎，最后决定了控制器的量值。最终在实际应用后得到结果值，再进行校正和对比。第二类是用在实际中的整定方法，它全由工作中积累的经验决定，在经过控制系统调试后，才可以使用。这种方法不仅简便，而且容易控制理解，目前普遍采用临界比例法。图4-2PID内部结构示意图1.2.模糊自适应PID控制算法在实际操作过程中我们想要控制的器件中，它们的特性参数值，会随着系统的负载或者环境干扰要素改变。而自适应控制能够准确读取对象的特性参数，我们要把控制系统的性能与运行功能调节到最好的程度，那么就要改变调节方法。在实际操作过程中，PID算法仍然被广泛使用，由于其结构简单、性能强、动静态特性优良，易于实现操作。我们通过使用模糊数学的基本理论，将知识存储在计算机知识库中，这样计算机利用模糊推理这种演绎方式，根据系统操作响应情况来调节PID参数。这是模糊自适应PID控制。由实际过程可知，干扰机器人控制系统臂电机的实际模型因素很多，需要补偿的变量也多，具体结构参数不明确，它是一个非线性、时变、滞后的系统。需要一种具有良好适应性、控制器参数自动调节和与对象无关的数学模型的控制器，使用经验和知识较为方便的利用，同时也要克服直流电机调速系统中不确定因素对系统性能的不利影响。模糊自适应PID控制系统可以检测和分析控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素，是目前较为先进的一种控制系统。1.2.1模糊控制器在PID算法中，、和参数的整定成为算法实现好坏的关键，而直流电机是一个非线性系统，使用固定参数显然不能实现最优控制，可能换一个环境后，参数就需要重新测量，这样非常麻烦。模糊自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果REF_Ref30040\r\h【29】。其控制系统结构框图如图4-3所示。图4-3模糊自适应PID控制器结构图模糊控制器实际上是一个微机系统。其中大部分功能是由计算机程序执行的，这些程序可以逐步用特殊模糊芯片的研发代替个别单元组的软件功能。应用模糊集合理论建立参数、、与误差和误差变化之间的模糊关系，并用模糊控制器根据不同的和在线自整定PID参数，是该调速系统设计的核心。由于PID控制的鲁棒性以及模糊控制器的灵活性，使得PID参数的调整对各自初值的精度要求并不高，因此可以先由常规PID对系统进行控制，不要求系统性能指标均满足要求，只要保证系统稳定即可REF_Ref30259\r\h【7】。就可以把这组PID参数值作为初始值，然后再由模糊推理得出的校正量对PID参数进行细调以使系统性能指标达到要求。图4-4模糊自适应PID仿真曲线图4-5模糊自适应PID控制时间响应1.3机器人手臂控制系统仿真分析机器人手臂由多个部分控制，是一个输入和输出量都很多的系统。因此一般用矢量来表示位置、速度和加速度，操作臂刚体动力学方程为：（4-4）其摩擦模型，动力学模型如下：（4-5）伺服控制部分：（4-6）图4-6机械臂控制系统图建立轨迹规划模块，使其能够输出速度v和加速度a图4-7加速度变化曲线图图4-8速度变化曲线图图4-9位置变化曲线图根据闭环方程建立一个闭环控制器，其输出为扭矩。图4-10闭环控制器示意图当电机控制不采用控制器，采用一个单位负反馈控制系统，给定信号为单位阶跃信号，其