【導(dǎo)讀】而“機(jī)器人”這一代表著機(jī)械與自動(dòng)化技術(shù)完美結(jié)合與最高成就的產(chǎn)物，的萬(wàn)能機(jī)器人中》所創(chuàng)造和描述的“Robot”，都顯示出人類對(duì)機(jī)器人的美好憧憬。從初創(chuàng)時(shí)起，機(jī)器人就成為世界各國(guó)爭(zhēng)相。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展程度對(duì)國(guó)家的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)在軍事、航天、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域都獲。機(jī)器人學(xué)交叉融合了機(jī)械、電。目前機(jī)器人學(xué)不斷發(fā)展，各種新型機(jī)器人層出不。窮，其中又以仿人機(jī)器人最為引人注目13一，]。仿人機(jī)器人是模擬人的形態(tài)和行為的。因?yàn)榉氯藱C(jī)器人擁有類似人類的外形和物理結(jié)構(gòu)，更容易和人類相處，這類機(jī)。對(duì)機(jī)器人研究領(lǐng)域提出了新的挑戰(zhàn)。目前突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要方向是采用建模與仿真方法，即通過(guò)對(duì)機(jī)器人硬件。機(jī)器人價(jià)格昂貴，在進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)和培訓(xùn)中使用實(shí)體機(jī)器人。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物機(jī)器人連桿結(jié)構(gòu)和物理碰撞檢測(cè)形狀的模擬。同時(shí)，設(shè)定完畢的機(jī)器人仿真模型文件既可單獨(dú)用于完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過(guò)程，

　　

【正文】 模糊 PID 復(fù)合控制器工作流程如圖 52（ a）所示。控制器工作時(shí)，主要根據(jù)控制偏差的大小自動(dòng)決定哪個(gè)控制器起作用。對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)，結(jié)合模糊控制和經(jīng)典中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 34 頁(yè) PID 控制各自的特點(diǎn)，首先分別進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中， PID 控制器相比模糊控制器具有更 好的穩(wěn)態(tài)性能，因此其參數(shù)應(yīng)首先考慮使控制系統(tǒng)獲得高的穩(wěn)態(tài)精度；而模糊控制器的動(dòng)態(tài)特性良好，此時(shí)優(yōu)先參數(shù)調(diào)試時(shí)優(yōu)先考慮系統(tǒng)具有快的響應(yīng)速度和小的系統(tǒng)超調(diào)。然后設(shè)定合適的偏差值 0e，使系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度方面皆獲得滿意的效果，從而發(fā)揮模糊控制和 PID 制各自的優(yōu)點(diǎn)。 a)模糊 PID復(fù)合控制器工作流程圖 b)模糊自適應(yīng) PID控制器工作流程圖 圖 52 模糊 PID 制器工作流程圖 模糊 PID 控制仿真 在 Matlab/Simulink 里分別建立模糊 PID 復(fù)合控制器和模糊 PID 自適應(yīng)控制器，對(duì)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。根據(jù)模糊 PID 控制器中各參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，對(duì)兩種控制系統(tǒng)分別進(jìn)行調(diào)試。圖 5圖 55 和圖 56 分別為機(jī)器人兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)分別采用模糊 PID復(fù)合控制和模糊 PID自適應(yīng)控制時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)正弦激勵(lì)的響應(yīng)情況及正弦曲線跟蹤誤差情況。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模糊 PID 自適應(yīng)控制在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)階段具有更好的表現(xiàn)，跟蹤誤差比模糊 PID 復(fù)合控制時(shí)要小，能夠更快的跟蹤到激勵(lì)的變化情況。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 共 34 頁(yè) Response and tracking error of Joint1 with sine wave inputa 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 28 頁(yè) 共 34 頁(yè) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真 機(jī)器人的控制問(wèn)題是與其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題密切相關(guān)的。機(jī)器人控制器的選擇，是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。裝配機(jī)器人的作業(yè)是控制機(jī)械人末端執(zhí)行器的位姿，以實(shí)現(xiàn)其點(diǎn)到點(diǎn)的控制。裝配機(jī)器人的工作主要包括裝配件的位置轉(zhuǎn)移階段和裝配階段，在裝配件的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，要求裝配件能夠被快速的轉(zhuǎn)移到裝配點(diǎn)，希望控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，具有小的響應(yīng)時(shí)間和 超調(diào)量；在裝配階段則希望裝配件被準(zhǔn)確的定位于裝配點(diǎn)處并維持穩(wěn)定，此時(shí)更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及高的穩(wěn)態(tài)精度。通過(guò)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程可知，機(jī)器人大、小回轉(zhuǎn)臂之間存在強(qiáng)烈的耦合行為，移動(dòng)臂與兩個(gè)回轉(zhuǎn)臂之間運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互響應(yīng)則較小。因此對(duì)兩回轉(zhuǎn)臂則采用分時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 34 頁(yè) 環(huán)境仿真 Matlab/Simulink 是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可應(yīng)用于線性、非線性、連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間、單輸入單輸出及多輸入多輸出等系統(tǒng)，具有可視化建模、交互式仿真等優(yōu)點(diǎn)，可大大減少工作量。對(duì)于大型動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其系 統(tǒng)矩陣、控制矩陣或輸出矩陣一般來(lái)說(shuō)都是與狀態(tài)有關(guān)的時(shí)變矩陣，此時(shí)需采用 S 函數(shù)語(yǔ)法構(gòu)造特定模塊實(shí)現(xiàn)模型仿真。 Matlab 基于矩陣運(yùn)算，以狀態(tài)空間里的狀態(tài)方程為運(yùn)算對(duì)象。每個(gè) Simulink 模塊都具有三個(gè)基本元素：輸入向量 u，狀態(tài)向量 x 和輸出向量 y。其中，輸出向量又是采樣時(shí)間 t、輸入向量和狀態(tài)向量的函數(shù)。 機(jī)器人仿真結(jié)果 根據(jù)第 3 章中得到的 SMA 驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)控制器，建立控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真分析?？紤]到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性，設(shè)計(jì)二維 模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式。這類控制器以系統(tǒng)誤差和誤差變化率為輸入語(yǔ)句變量，并通過(guò)模糊推理規(guī)則和模糊規(guī)則查詢表得到模糊控制量，因此它具有類似常規(guī) PD 控制器的作用。這類控制器可以獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，而穩(wěn)態(tài)誤差不能令人滿意。由線性控制理論可知，積分控制作用能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，微分控制作用能反應(yīng)信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而可以加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。而比例積分微分控制作用既具有較高的動(dòng)態(tài)特性，又能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精 度。因此將 PID 控制策略引入 Fuzzy 控制器，構(gòu)成 FuzzyPID 復(fù)合控制器。 控制參數(shù)對(duì)控制影響分析 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮 PID 控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用： ：比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單快速。缺點(diǎn)是對(duì)具有自平衡性的控制對(duì)象有靜差；對(duì)帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生震蕩，動(dòng)態(tài)特性差。 ：積分調(diào)節(jié)可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，適用于有自平衡性的系統(tǒng)，但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 30 頁(yè) 共 34 頁(yè) 震蕩。 ：微分作用系數(shù) DK 的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，降低超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但 DK 過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 51 積分系數(shù) KI 對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響曲線對(duì)比 表 52 獨(dú)立調(diào)整 P I 和 D 時(shí)的系統(tǒng)影響的影響 閉環(huán)響應(yīng) 上升時(shí)間 超調(diào) 時(shí)間調(diào)節(jié) 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)定性 增大 Kp 減少 增 加 輕微增加 減小 變差 增大 Ki 輕微減少 增加 增加 大幅減小 變差 增大 Kd 輕微減少 減小 減小 輕微改變 改進(jìn) 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 31 頁(yè) 共 34 頁(yè) 控制量的比例 Ku 對(duì)系統(tǒng)的影響 圖 53 誤差比例因子 Ke 對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響曲線對(duì)比 54 差比例因子 Kc 對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響曲線對(duì)比 本章小結(jié) 在 Matlab/Simulink 環(huán)境下，結(jié)合 S 函數(shù)實(shí)現(xiàn)了裝配過(guò)程的軌跡跟蹤 ，建立了 SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，采用模糊 PID 復(fù)合控制和模糊 PID 自適應(yīng)控制分別實(shí)現(xiàn)了 SMA 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制。仿真結(jié)果說(shuō)明模糊 PID 控制有效的實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)裝配件的快速轉(zhuǎn)移操作和裝配過(guò)程中的精確定位操作。運(yùn)用控制變量法，對(duì)模糊復(fù)合 PID 控制器參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響進(jìn)行了探究，為控制器的調(diào)試提供了理論指導(dǎo)和評(píng)價(jià)指標(biāo)。 6 全文總結(jié) 本文將 SMA 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于裝配機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的控制方案。 SMA 驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕巧、成本大大降低，很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 32 頁(yè) 共 34 頁(yè) 寸 的小型化。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的控制策略很好的實(shí)現(xiàn)了裝配機(jī)器人在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)階段的快速軌跡跟蹤和在裝配階段較高的穩(wěn)態(tài)精度。根據(jù)本文的研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論： (1)機(jī) 器人學(xué)的理論建立了裝配機(jī)器人的笛卡爾坐標(biāo)系和 DH 參數(shù)表，求得了坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣；利用 Pro/Engineer 和 Adams 設(shè)計(jì)了機(jī)器人的虛擬樣機(jī)；利用Lagrange 法建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型；設(shè)計(jì)了移動(dòng)性 SMA 驅(qū)動(dòng)器。仿真結(jié)果表明，理論模型的建立是準(zhǔn)確、有效的。 (2)SMA 驅(qū)動(dòng)器的非線性遲滯行為和機(jī)器人關(guān)節(jié)耦合行為都 是難于控制的行為，本文對(duì)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用分時(shí)運(yùn)動(dòng)控制一定程度上降低了機(jī)器人的工作效率，但通過(guò)運(yùn)用 SMA驅(qū)動(dòng)器很容易使機(jī)器人尺寸變小、質(zhì)量變輕、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、制作成本得到很大降低。 (3)變結(jié)構(gòu)控制是一種有效的解藕控制算法，其關(guān)鍵是控制器切換函數(shù)的設(shè)計(jì)以及趨近律和控制律的選擇，采用非線性切換函數(shù)可以使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)更快的跟蹤到軌跡的變化情況，并一定程度上削弱了系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象。 (4)通過(guò)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)正弦曲線的跟蹤情況可知，模糊 PID 復(fù)合控制器和模糊自適應(yīng) PID 控制器都具有模糊控制靈活、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)， 又有 PID 控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，對(duì)于具有非線性遲滯行為的系統(tǒng)有很好的控制效果。 (5)通過(guò)對(duì) SMA 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置控制仿真分析可以知道，模糊 PID 自適應(yīng)控制在關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有更高的跟蹤精度和更快的響應(yīng)速度；模糊 PID 復(fù)合控制的系統(tǒng)超調(diào)量小，在裝配點(diǎn)處更容易獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度。 (6)通過(guò)仿真分析，在兩類 SMA 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)中，模糊 PID 復(fù)合控制得到的控制電流幅值較大、頻率較小，而模糊 PID 自適應(yīng)控制的控制電流幅值相對(duì)較小而頻率很高。通過(guò)對(duì) 比其控制效果可以看出，采用高頻、低幅值的加熱電流，能使加熱過(guò)程的控制更靈活，可以避免 SMA 產(chǎn)生過(guò)高的溫度，從而減小控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)超調(diào)值。 (7)通過(guò)控制變量法對(duì)模糊控制和 PID 控制中各參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行分析可知，有目的的調(diào)整控制器的參數(shù)值可以得到更好的控制效果。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 33 頁(yè) 共 34 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 程一 , 莊成 . 通用的模糊邏輯控制算法及其應(yīng)用 [J ] . 自動(dòng)化學(xué)報(bào) [2] 李士勇 . 模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論 [3] 田 苗 . 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā) [M ]. 北京 :清華大學(xué)出版社 [4] Kamal R. 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、編程與設(shè)計(jì) [5] 張穎超 ,莊英 . 基于 S3C2410的嵌入式觸摸屏設(shè)計(jì) [6] 胡小平 , 陳國(guó)良 , 黃之初 ,等 . 微操作機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 . 機(jī)械設(shè)計(jì) [7] 于蓮芝 , 顏國(guó)正 , 王祥瑞 1 用于呼吸道直接監(jiān)測(cè)的柔性微機(jī)器人系統(tǒng) [8] 宋宇 ,郭偉 ,孫立寧 . 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