【正文】 圖416非線性特性 圖417 PID計(jì)算當(dāng)軟開關(guān)DV/PV切向DV位置時(shí)，則選用偏差微分方式；當(dāng)軟開關(guān)DV/PV切向PV位置時(shí)，則選用測(cè)量(即被控量)微分方式。四、安全輸出當(dāng)軟開關(guān)FS/NS切向NS位置時(shí)，現(xiàn)時(shí)刻的控制量等于預(yù)置的安全輸出量MS；當(dāng)軟開關(guān)FS/NS切向FS位置時(shí)，又恢復(fù)正常輸出方式。說明了PID控制的原理、標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)、PID參數(shù)的選擇以及偏差處理等。圖51 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中：、——觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)；——主回路電磁時(shí)間常數(shù)；——電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)；——額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流比；——電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總飛輪慣量；、——測(cè)速發(fā)電機(jī)、電流互感器放大系數(shù)。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器具有如下作用：①對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；②起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；③在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化；④當(dāng)電機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器具有的作用：①使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；②對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；③其輸出限幅值決定允許的最大電流。對(duì)于多環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。典型模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。圖52 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng) 式中：——控制器的輸出量，為輸出的初始值；——誤差信號(hào)；——比例系數(shù)；——積分時(shí)間常數(shù)；——微分時(shí)間常數(shù)。如果取其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成P、PD、或PI控制器。通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用于典I系統(tǒng)和典II系統(tǒng)。電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而在突然加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好，從這個(gè)角度出發(fā)，把電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)。為了平衡這一延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖56 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化典I系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 可將它寫成標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的形式，即 式中：——自然振蕩角頻率；——阻尼比。轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該校正成典型II系統(tǒng)，這首先是基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求，在從動(dòng)態(tài)性能上看，調(diào)速系統(tǒng)首先應(yīng)有較好的抗擾性能。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替初始的電流閉環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖57所示。圖57 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖58 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖由圖58可以看出要將轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)校正成典型II系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器 ，其傳遞函數(shù)為： 令，不考慮負(fù)載擾動(dòng)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖59所示：圖59校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 電流、轉(zhuǎn)速PID雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析一般的系統(tǒng)具有給定和擾動(dòng)兩種不同的輸入，以下主要介紹一下跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)。根據(jù)此曲線，定義出下列跟隨性能指標(biāo)：圖510 輸入階躍響應(yīng)曲線i、上升時(shí)間。ii、超調(diào)量。 iii、調(diào)節(jié)時(shí)間。iv、振蕩次數(shù)。在上述各指標(biāo)中，、反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的快速性，其值越小則動(dòng)態(tài)過程越快；反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，其值越小，則穩(wěn)定性越好；值反映系統(tǒng)的阻尼特性，其值越大，則就越長(zhǎng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差。通常用突加約定的階躍擾動(dòng)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)的特征來表征，如圖511所示。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加階躍擾動(dòng)，在過渡過程中輸出量的最大降落值稱為最大動(dòng)態(tài)降落，用輸出量穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)表示，即 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，相應(yīng)地稱為最大動(dòng)態(tài)速降。即從輸入階躍擾動(dòng)開始，到輸出量距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某預(yù)定的基準(zhǔn)量的(或)范圍之內(nèi)所需的最短時(shí)間。即產(chǎn)生最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)對(duì)應(yīng)得時(shí)間。在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中有時(shí)還需要用到頻域指標(biāo)，即根據(jù)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性而定義的、截止頻率、中頻寬和根據(jù)閉環(huán)幅頻特性而定義的諧振峰值、諧振頻率和頻帶寬等。其值越小，則系統(tǒng)越穩(wěn)定。反映系統(tǒng)的快速性，其值越小，則系統(tǒng)快速性越好，越小。對(duì)于一定的值在滿足振蕩指標(biāo)為最小值的原則下，、與之間存在 如下關(guān)系，即 （52） （53） （54）于是根據(jù)給定振蕩指標(biāo)，由式（52）立即可計(jì)算得出值，然后利用式（53）和式（54）求出系統(tǒng)的參數(shù)和值為 典II系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)性能，與擾動(dòng)量本身及其作用點(diǎn)有關(guān) 。4圖513 典II系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流控制器、轉(zhuǎn)速控制器系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下性能仿真分析Simulink環(huán)境是1990年前后由Mathworks公司推出的產(chǎn)品，是用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先，“simu”一詞表明它可以用于計(jì)算機(jī)仿真，而“l(fā)ink”一詞表明它能進(jìn)行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。正是由于它的這兩大功能和特色，使得它成為仿真領(lǐng)域的首選的計(jì)算機(jī)環(huán)境。Simulink的功能十分強(qiáng)大，可以借用其本身或模塊集對(duì)任意復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。該系統(tǒng)由電流PID控制器、可控硅裝置、電機(jī)電樞、零階保持器組成。從仿真結(jié)果可以看出,%，5%，控制性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該控制系統(tǒng)包含電流控制器、轉(zhuǎn)速控制器、直流電動(dòng)機(jī)慣性質(zhì)量系統(tǒng)、零階保持器等環(huán)節(jié)。圖518為給定輸入轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，圖519為系統(tǒng)響應(yīng)誤差曲線。圖518給定輸入轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖519系統(tǒng)響應(yīng)誤差曲線當(dāng)系統(tǒng)的慣性質(zhì)量隨著試驗(yàn)的需要發(fā)生變動(dòng)時(shí)，即時(shí)，模型在不改動(dòng)PID參數(shù)情況下，系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線變?yōu)槿鐖D520所示。 圖521速度PID回路在加載和擾動(dòng)作用下的誤差曲線 基于模糊PID控制設(shè)計(jì)及仿真模糊控制最早可追溯到60年代，(Fuzz Sets)概念。一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性、系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變性、非線性、不確定性。對(duì)具有強(qiáng)耦合性、時(shí)變性、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)典控制系統(tǒng)和現(xiàn)代控制系統(tǒng)無法很好的控制[24]。因此，模糊控制理論是一種極為理想的復(fù)雜系統(tǒng)控制系統(tǒng)理論。圖522 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)一般模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖523所示，主要包括模糊化、知識(shí)庫、模糊推理和清晰化和被控對(duì)象等部分。知識(shí)庫功能：知識(shí)庫中包含數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。模糊推理機(jī)功能：它是模糊控制器重要組成部分，具有模擬人的基于模糊概念的推理能力，其推理是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)涵關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。 模糊PID控制算法上面已經(jīng)分析過，由于單純采用PID控制對(duì)于本控制系統(tǒng)都不能達(dá)到較好的控制效果，因此本文采用模糊PID控制方法。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID三個(gè)參數(shù)P（比例）、I（積分）和D（微分）與偏差及偏差變化率之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)和，再根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同情況下系統(tǒng)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小。式中分別為其比例、積分、微分控制作用的參數(shù)。(2)當(dāng)為中等大小時(shí)，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖525曲線的B段時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的，適當(dāng)?shù)暮停员ＷC系統(tǒng)響應(yīng)速度，其中的取值對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度影響較大。 模糊PID控制器設(shè)計(jì)模糊控制涉及的兩個(gè)輸入變量是交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差絕對(duì)值和轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對(duì)值，三個(gè)輸出量是PID參數(shù)、和。輸入量和輸出量的隸屬度函數(shù)均選擇三角函數(shù)，如圖526所示.圖526 輸入、輸出量的隸屬度函數(shù)對(duì)模糊PID的參數(shù)、進(jìn)行動(dòng)態(tài)整定，整定公式如下： 式中、為采用常規(guī)整定方法得到的、的預(yù)整定值。如圖527所示圖527 機(jī)器人模糊參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖不同的慣性質(zhì)量系統(tǒng)，所對(duì)應(yīng)的仿真曲線如下面各圖所示： 圖528 慣性矩GD2= 圖529 慣性矩GD2=由仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的模糊參數(shù)自整定PID控制方案的適應(yīng)性很強(qiáng)，能夠適應(yīng)機(jī)器人慣性質(zhì)量系統(tǒng)的變化，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)能夠自行調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到響應(yīng)速度快、無超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差為零的理想效果。本論文的主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：（1） 本論文首先通過霍爾傳感器設(shè)計(jì)了一套具有閉環(huán)特征的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于連續(xù)運(yùn)行頻率不足而出現(xiàn)的失步問題，使機(jī)器人運(yùn)行更加平穩(wěn)，位置更加精確。（3） 本系統(tǒng)選用ATMega8單片機(jī)為控制核心，用來接收測(cè)量裝置傳輸來的數(shù)據(jù)，再利用無線傳輸?shù)姆绞桨褱y(cè)量數(shù)據(jù)傳到上位計(jì)算機(jī)，通過貝葉斯數(shù)據(jù)融合方法便可獲得更加精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。（4） 本文進(jìn)行了前置放大電路的設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得足夠的驅(qū)動(dòng)電流，并提高了控制信號(hào)的信噪比。該救援機(jī)器人可以取代人進(jìn)入到許多惡劣環(huán)境從事探測(cè)和危險(xiǎn)排除工作，例如存在爆炸物或放射性物質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)。本論文設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人控制系統(tǒng)適應(yīng)的救援工作有限，對(duì)于復(fù)雜特殊的環(huán)境下需要的救援機(jī)器人控制系統(tǒng)還有待研究與完善。但是單個(gè)機(jī)器人的能力畢竟有限，可以讓機(jī)器人組成一個(gè)救援隊(duì)，每個(gè)機(jī)器人個(gè)體之間能相互交流，承擔(dān)各自的工作，可以提高救援的效率。