【導讀】而“機器人”這一代表著機械與自動化技術完美結合與最高成就的產(chǎn)物，的萬能機器人中》所創(chuàng)造和描述的“Robot”，都顯示出人類對機器人的美好憧憬。從初創(chuàng)時起，機器人就成為世界各國爭相。機器人技術的發(fā)展程度對國家的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。近年來，機器人技術在軍事、航天、建筑、工業(yè)等領域都獲。機器人學交叉融合了機械、電。目前機器人學不斷發(fā)展，各種新型機器人層出不。窮，其中又以仿人機器人最為引人注目13一，]。仿人機器人是模擬人的形態(tài)和行為的。因為仿人機器人擁有類似人類的外形和物理結構，更容易和人類相處，這類機。對機器人研究領域提出了新的挑戰(zhàn)。目前突破傳統(tǒng)設計的一個主要方向是采用建模與仿真方法，即通過對機器人硬件。機器人價格昂貴，在進行機器人教學和培訓中使用實體機器人。從而實現(xiàn)對實物機器人連桿結構和物理碰撞檢測形狀的模擬。同時，設定完畢的機器人仿真模型文件既可單獨用于完成機器人運動學仿真過程，

　　

【正文】 模糊 PID 復合控制器工作流程如圖 52（ a）所示。控制器工作時，主要根據(jù)控制偏差的大小自動決定哪個控制器起作用。對控制器進行設計調試時，結合模糊控制和經(jīng)典中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 26 頁 共 34 頁 PID 控制各自的特點，首先分別進行調試。調試過程中， 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；而模糊控制器的動態(tài)特性良好，此時優(yōu)先參數(shù)調試時優(yōu)先考慮系統(tǒng)具有快的響應速度和小的系統(tǒng)超調。然后設定合適的偏差值 0e，使系統(tǒng)在動態(tài)響應和穩(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。 a)模糊 PID復合控制器工作流程圖 b)模糊自適應 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 復合控制器和模糊 PID 自適應控制器，對機器人的各關節(jié)進行控制。根據(jù)模糊 PID 控制器中各參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響，對兩種控制系統(tǒng)分別進行調試。圖 5圖 55 和圖 56 分別為機器人兩個回轉關節(jié)和移動關節(jié)分別采用模糊 PID復合控制和模糊 PID自適應控制時控制系統(tǒng)對正弦激勵的響應情況及正弦曲線跟蹤誤差情況。通過對比發(fā)現(xiàn)，模糊 PID 自適應控制在系統(tǒng)的動態(tài)響應階段具有更好的表現(xiàn)，跟蹤誤差比模糊 PID 復合控制時要小，能夠更快的跟蹤到激勵的變化情況。 中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 34 頁 Response and tracking error of Joint1 with sine wave inputa 中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 34 頁 機器人運動仿真 機器人的控制問題是與其運動學和動力學問題密切相關的。機器人控制器的選擇，是由機器人所執(zhí)行的任務決定的。裝配機器人的作業(yè)是控制機械人末端執(zhí)行器的位姿，以實現(xiàn)其點到點的控制。裝配機器人的工作主要包括裝配件的位置轉移階段和裝配階段，在裝配件的轉移過程中，要求裝配件能夠被快速的轉移到裝配點，希望控制系統(tǒng)的動態(tài)響應特性好，具有小的響應時間和 超調量；在裝配階段則希望裝配件被準確的定位于裝配點處并維持穩(wěn)定，此時更強調系統(tǒng)的穩(wěn)定性及高的穩(wěn)態(tài)精度。通過機器人動力學方程可知，機器人大、小回轉臂之間存在強烈的耦合行為，移動臂與兩個回轉臂之間運動時的相互響應則較小。因此對兩回轉臂則采用分時運動控制。 中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 34 頁 環(huán)境仿真 Matlab/Simulink 是一個進行動態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可應用于線性、非線性、連續(xù)時間、離散時間、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，可大大減少工作量。對于大型動力學系統(tǒng)，其系 統(tǒng)矩陣、控制矩陣或輸出矩陣一般來說都是與狀態(tài)有關的時變矩陣，此時需采用 S 函數(shù)語法構造特定模塊實現(xiàn)模型仿真。 Matlab 基于矩陣運算，以狀態(tài)空間里的狀態(tài)方程為運算對象。每個 Simulink 模塊都具有三個基本元素：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間 t、輸入向量和狀態(tài)向量的函數(shù)。 機器人仿真結果 根據(jù)第 3 章中得到的 SMA 驅動回轉運動關節(jié)和移動關節(jié)動力學模型，分別設計控制器，建立控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真分析?？紤]到模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，設計二維 模糊控制器的結構形式。這類控制器以系統(tǒng)誤差和誤差變化率為輸入語句變量，并通過模糊推理規(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，但動態(tài)響應慢，比例控制作用動態(tài)響應快，微分控制作用能反應信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而可以加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。而比例積分微分控制作用既具有較高的動態(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，構成 FuzzyPID 復合控制器。 控制參數(shù)對控制影響分析 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮 PID 控制器各個校正環(huán)節(jié)的作用： ：比例調節(jié)的特點是簡單快速。缺點是對具有自平衡性的控制對象有靜差；對帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生震蕩，動態(tài)特性差。 ：積分調節(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)的響應速度變慢，超調量變大，并可能產(chǎn)生中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 30 頁 共 34 頁 震蕩。 ：微分作用系數(shù) DK 的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報，降低超調，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但 DK 過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 51 積分系數(shù) KI 對控制系統(tǒng)性能的影響曲線對比 表 52 獨立調整 P I 和 D 時的系統(tǒng)影響的影響 閉環(huán)響應 上升時間 超調 時間調節(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 中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 34 頁 控制量的比例 Ku 對系統(tǒng)的影響 圖 53 誤差比例因子 Ke 對控制系統(tǒng)性能的影響曲線對比 54 差比例因子 Kc 對控制系統(tǒng)性能的影響曲線對比 本章小結 在 Matlab/Simulink 環(huán)境下，結合 S 函數(shù)實現(xiàn)了裝配過程的軌跡跟蹤 ，建立了 SMA驅動機器人運動關節(jié)動力學模型，采用模糊 PID 復合控制和模糊 PID 自適應控制分別實現(xiàn)了 SMA 驅動機器人運動關節(jié)的運動控制。仿真結果說明模糊 PID 控制有效的實現(xiàn)了機器人對裝配件的快速轉移操作和裝配過程中的精確定位操作。運用控制變量法，對模糊復合 PID 控制器參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響進行了探究，為控制器的調試提供了理論指導和評價指標。 6 全文總結 本文將 SMA 驅動器應用于裝配機器人的關節(jié)驅動，并設計了機器人運動控制的控制方案。 SMA 驅動的機器人結構簡單、質量輕巧、成本大大降低，很容易實現(xiàn)結構尺中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 32 頁 共 34 頁 寸 的小型化。仿真結果表明，本文設計的控制策略很好的實現(xiàn)了裝配機器人在關節(jié)運動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)本文的研究結果，可以得出以下結論： (1)機 器人學的理論建立了裝配機器人的笛卡爾坐標系和 DH 參數(shù)表，求得了坐標系間的齊次變換矩陣；利用 Pro/Engineer 和 Adams 設計了機器人的虛擬樣機；利用Lagrange 法建立了機器人的動力學模型；設計了移動性 SMA 驅動器。仿真結果表明，理論模型的建立是準確、有效的。 (2)SMA 驅動器的非線性遲滯行為和機器人關節(jié)耦合行為都 是難于控制的行為，本文對回轉關節(jié)采用分時運動控制一定程度上降低了機器人的工作效率，但通過運用 SMA驅動器很容易使機器人尺寸變小、質量變輕、結構更簡潔、制作成本得到很大降低。 (3)變結構控制是一種有效的解藕控制算法，其關鍵是控制器切換函數(shù)的設計以及趨近律和控制律的選擇，采用非線性切換函數(shù)可以使關節(jié)運動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)通過對機器人運動關節(jié)對正弦曲線的跟蹤情況可知，模糊 PID 復合控制器和模糊自適應 PID 控制器都具有模糊控制靈活、響應快的優(yōu)點， 又有 PID 控制精度高的優(yōu)點，同時還具有較強的適應性和魯棒性，對于具有非線性遲滯行為的系統(tǒng)有很好的控制效果。 (5)通過對 SMA 驅動機器人運動關節(jié)的位置控制仿真分析可以知道，模糊 PID 自適應控制在關節(jié)臂的運動過程中具有更高的跟蹤精度和更快的響應速度；模糊 PID 復合控制的系統(tǒng)超調量小，在裝配點處更容易獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度。 (6)通過仿真分析，在兩類 SMA 驅動機器人運動關節(jié)控制系統(tǒng)中，模糊 PID 復合控制得到的控制電流幅值較大、頻率較小，而模糊 PID 自適應控制的控制電流幅值相對較小而頻率很高。通過對 比其控制效果可以看出，采用高頻、低幅值的加熱電流，能使加熱過程的控制更靈活，可以避免 SMA 產(chǎn)生過高的溫度，從而減小控制系統(tǒng)的響應時間和系統(tǒng)超調值。 (7)通過控制變量法對模糊控制和 PID 控制中各參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響進行分析可知，有目的的調整控制器的參數(shù)值可以得到更好的控制效果。 中北大學信息商務學院 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 33 頁 共 34 頁 參考文獻 [1] 程一 , 莊成 . 通用的模糊邏輯控制算法及其應用 [J ] . 自動化學報 [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)設計與實例開發(fā) [M ]. 北京 :清華大學出版社 [4] Kamal R. 嵌入式系統(tǒng)體系結構、編程與設計 [5] 張穎超 ,莊英 . 基于 S3C2410的嵌入式觸摸屏設計 [6] 胡小平 , 陳國良 , 黃之初 ,等 . 微操作機器人控制系統(tǒng)研究 . 機械設計 [7] 于蓮芝 , 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