五自由度機(jī)器人的分?jǐn)?shù)階pid控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)五自由度機(jī)器人，設(shè)計(jì)了準(zhǔn)確性更高的分?jǐn)?shù)階PID控制器。本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階PID控制器的關(guān)鍵在于五個(gè)參數(shù)的整定與選?。菏紫雀鶕?jù)已有的整數(shù)階PID控制器，選擇合適的分?jǐn)?shù)階階次，再根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需求由已知的參數(shù)確定其余的三個(gè)參數(shù)，最后將分?jǐn)?shù)階PID控制器與整數(shù)階PID控制器相比較，顯示了分?jǐn)?shù)階控制器的精準(zhǔn)性。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、構(gòu)思巧妙，能夠提高五自由度機(jī)器人的精確性，確保機(jī)器人的可靠性，特別適用于醫(yī)療、民用機(jī)器人的設(shè)計(jì)中。
【專利說明】
五自由度機(jī)器人的分?jǐn)?shù)階P丨D控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體涉及五自由度機(jī)器人分?jǐn)?shù)階PID控制器的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 從二十世紀(jì)中期發(fā)展起來的工業(yè)機(jī)器人到無人機(jī)，目前機(jī)器人已深入到軍事，醫(yī) 療，教育，日常生活等各行各業(yè)。機(jī)器人是伴隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展起來的一個(gè)熱門方向。它是靠 自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它是集環(huán)境感知、定位、控制決策等于一 體的綜合性系統(tǒng)，主要涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等多門學(xué)科，是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工 業(yè)界的研究熱點(diǎn)。美國NSF在2012年發(fā)布的項(xiàng)目指南中，響應(yīng)了奧巴馬總統(tǒng)在卡耐基梅隆大 學(xué)的講話，明確指出人機(jī)協(xié)作機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)科未來的發(fā)展方向，將大力資助相關(guān)研究。
[0003] 機(jī)器人對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性有著極高的要求。機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)故障和失效可 以導(dǎo)致人身的重大損失。如何提高機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性主 要依賴于其決策算法和控制系統(tǒng)。機(jī)器人的底層控制多采用的PID控制。PID控制器是過程 控制中應(yīng)用最廣泛的控制器。分?jǐn)?shù)階PID控制器是PID控制器的擴(kuò)展，容許微積分的階次選 擇為分?jǐn)?shù)，而不僅僅是整數(shù)，其傳遞函數(shù)為：
分?jǐn)?shù)階PID控制器由于引入了微分、積分階次真和私，整個(gè)控制器多了兩個(gè)可調(diào)參數(shù)， 所以控制器參數(shù)的整定范圍變大，控制器能夠更靈活地控制受控對(duì)象，可以期望得出更好 的控制效果，古典的整數(shù)階控制器是分?jǐn)?shù)階PID控制器的特殊情況。由于控制器多了兩個(gè)可 調(diào)參數(shù)，I和私值允許取值為分?jǐn)?shù)，而不是常規(guī)PID控制器中的1或控制理論中的其他整數(shù)， 所以控制器參數(shù)的整定范圍變大，故分?jǐn)?shù)階控制器能夠更靈活地控制受控對(duì)象，提高了控 制精度和準(zhǔn)確性。分?jǐn)?shù)階PID控制器的出現(xiàn)是分?jǐn)?shù)階控制理論歷史上的一個(gè)里程碑，為分?jǐn)?shù) 階控制理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。分?jǐn)?shù)階控制的意義就是對(duì)于古典的整數(shù)階控制的擴(kuò)展化， 它可以提供建立更多的模型，得到更魯棒的控制結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)五自由度機(jī)器人，設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)階PID控制器。這種機(jī)器人的每 個(gè)關(guān)節(jié)具有獨(dú)立的伺服控制系統(tǒng)，再由一個(gè)中央處理器相連接，協(xié)調(diào)整體行為。這個(gè)機(jī)器人 的每個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)靈活，不同于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人。每個(gè)關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)確保機(jī)器人能夠精 準(zhǔn)地完成任務(wù)。機(jī)器人底層是這個(gè)經(jīng)典的整數(shù)階PID控制器。
[0005] 本發(fā)明在底層設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)階PID控制器，提高機(jī)器人的精準(zhǔn)性。本發(fā)明提出的分?jǐn)?shù)階 PID控制器的設(shè)計(jì)包括如下步驟： (1)對(duì)于五自由度機(jī)器人的每個(gè)底層控制系統(tǒng)，可以由現(xiàn)有的成熟軟件設(shè)計(jì)出常規(guī)的 整數(shù)階PID控制器，得到整數(shù)階PID控制器的三個(gè)參數(shù)邱，燈，1((1。在這三個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利 用Simulink框圖，根據(jù)ITAE準(zhǔn)則，選取最優(yōu)的分?jǐn)?shù)階次4;和杯。
[0006] (2)根據(jù)上面確定的分?jǐn)?shù)階階次，依據(jù)五自由度機(jī)器人每個(gè)控制系統(tǒng)的幅值裕量 .4:和相位裕量魏來確定分?jǐn)?shù)階PID控制器的另外三個(gè)參數(shù)邱，燈，1((1。從幅值裕量.』_和相位 裕量;的基本定義出發(fā)，受控對(duì)象和控制器貧奴)應(yīng)該滿足下列關(guān)系：
其中％為：，而巧滿足:
[0007] 將分?jǐn)?shù)階PID控制器f ,p)用表達(dá)式（1)來代替，可得到控制器的三個(gè)系數(shù)Kp，Ki， Kd：
其中％，，，義和并還應(yīng)滿足最小化指標(biāo)和下面的約束條件：
基于此，可以得到分?jǐn)?shù)階的階次，故設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確性更高的分?jǐn)?shù)階PID控制器。最后，再與 已有的整數(shù)階控制器的控制結(jié)果相對(duì)比，檢驗(yàn)分?jǐn)?shù)階PID控制器的控制效果。
[0008] 有益效果 分?jǐn)?shù)階PID控制器由于引入分?jǐn)?shù)階次可以更加準(zhǔn)確的控制實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)。本發(fā)明提出 的分?jǐn)?shù)階PID控制器能夠提高機(jī)器人的控制精度，提高機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0009] 圖1本發(fā)明實(shí)施例中分?jǐn)?shù)階控制Simulink框圖； 圖2本發(fā)明實(shí)施例中由不同的分?jǐn)?shù)階階次得到的一族階躍響應(yīng)曲線； 圖3本發(fā)明實(shí)施例中分?jǐn)?shù)階PID控制的階躍響應(yīng)曲線； 圖4本發(fā)明實(shí)施例中分?jǐn)?shù)階PID控制的Bode圖； 圖5本發(fā)明實(shí)施例中分?jǐn)?shù)階PID控制器與整數(shù)階PID控制器對(duì)比的階躍響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0011] 針對(duì)五自由度機(jī)器人的一個(gè)底層系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：
由MATLAB的控制器設(shè)計(jì)軟件，可設(shè)計(jì)整數(shù)階PID控制器如下：
得到整數(shù)階PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp=14，Ki=0.16，Kd=l. 4。在這三個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上，搭 建如圖1所示的包含了分?jǐn)?shù)階階次的Simulink框圖。圖中上部分是ITAE準(zhǔn)則，右下部分是 控制系統(tǒng)和受控系統(tǒng)。令兩個(gè)分?jǐn)?shù)的階次分別從0.1變化到0.9,對(duì)應(yīng)得到數(shù)十條相應(yīng)曲 線，如圖2所示。從中選取最優(yōu)的一組參數(shù)值:和和夢，JM卩得到兩個(gè)分?jǐn)?shù)階的階次。
[0012] 然后，再由這兩個(gè)分?jǐn)?shù)階次確定分?jǐn)?shù)階PID控制器的其余三個(gè)參數(shù)。由實(shí)際中這個(gè) 控制系統(tǒng)的幅值裕量&/4J和相位裕量
來確定分?jǐn)?shù)階PID控制器的另外三個(gè)參數(shù) Kp，Ki，Kd。由幅值裕量和相位裕量的關(guān)系表達(dá)式，系統(tǒng)中％;;;U，釋『4J，及上面的約束條 件，由本發(fā)明提出的方法得到分?jǐn)?shù)階PID控制器的另外三個(gè)參數(shù)為Kp=34，Ki=89，Kd=28。因 此設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)階PID控制器為：
受控對(duì)象在分?jǐn)?shù)階PID控制器控制下的階躍響應(yīng)如圖3所示，對(duì)應(yīng)的Bode圖如圖4所示。
[0013] 最后，對(duì)比整數(shù)階PID控制器和分?jǐn)?shù)階PID控制器的控制結(jié)果，如圖5所示，圖中綠 色的實(shí)線是分?jǐn)?shù)階PID控制器的控制結(jié)果，藍(lán)色的虛線是整數(shù)階PID控制器的控制結(jié)果?？?見本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階PID控制器在實(shí)時(shí)性和控制精度上都要好于整數(shù)階PID控制器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 五自由度機(jī)器人的分?jǐn)?shù)階PID控制器，其特征在于：針對(duì)五自由度機(jī)器人的底層控 制，選取分?jǐn)?shù)階控制器的五個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性更好的分?jǐn)?shù)階PID控制器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分?jǐn)?shù)階PID控制器，其特征在于:基于已設(shè)計(jì)的整數(shù)階PID控制 器，根據(jù)ITAE準(zhǔn)則，選取最優(yōu)的分?jǐn)?shù)階階次。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分?jǐn)?shù)階PID控制器，其特征在于:基于選取的分?jǐn)?shù)階階次，根據(jù) 實(shí)際系統(tǒng)中五自由度機(jī)器人的幅值裕量和相位裕量來確定分?jǐn)?shù)階PID控制器的其余三個(gè)參 數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分?jǐn)?shù)階PID控制器，其特征在于:與已有的整數(shù)階PID控制器的 控制結(jié)果相比較，本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階PID控制器控制效果好于整數(shù)階PID控制器，提高了五自 由度機(jī)器人的可靠性。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK106054590SQ201610483195
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】趙春娜
【申請(qǐng)人】云南大學(xué)