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擬人機器人上肢多關節控制參數整定

   2012年05月23日 16:02  
  摘要:為了得到擬人機器人上肢關節控制電機的參數,通過建立直流電機的物理和數學模型,利用Matlab軟件建模和仿真,找到了一個合適的PID控制方法,通過調節KP,KI,KD參數,系統獲得了較高的控制精度和響應速度,幾乎能夠*抵抗外部干擾,該仿真對擬人機器人手部控制節點的設計具有很重要的指導作用,對于一般的直流電機閉環控制也有一定的借鑒意義。
  
  引言
  
  擬人機器人手部控制節點的任務是接收機器人“大腦”(即上位機)的指令,完成手部電機的速度及位置控制。擬人機器人手部電機采用DC電機,通常DC電機抗*力有限。本文探索DC電機的PID閉環控制手段,為了得到較好的可能效果,需要尋找合適的控制參數:KP,KI,KD。文中首先對DC電機進行物理抽象,進而建立數學模型,并通過實驗手段得到實際電機的系統參數。zui后通過模擬手段,實現擬人機器人手部電機開環控制系統及速度閉環PID控制系統的仿真,并通過調節KP,KI,KD獲得較好的抗干擾相應。通過仿真得到的控制參數可以反過來用于指導控制節點的設計。
  
  1、DC電機建模
  
  1.1建立直流電機的物理模型
  
  電機的物理模型如圖1所示。
  
  1.2DC電機數學模型的建立
  
  式(1)是理論分析得到的電機開環控制的數學模型。判斷一個模型是否適用于實際的擬人機器人手部DC電機,需要將實際測量電機的相應曲線和理論公式進行比較。
  
  1.3實際電機的開環階躍響應
  
  為了確定上述電機模型的參數,同時驗證上述電機模型的正確性,首先對電機進行開環階躍響應實驗,給定電機一個目標速度設定,測出電機速度隨時間的變化曲線。擬人機器人手部電機裝有16線編碼盤,給電機加上128/256的PWM站空比(相當于2.5V電壓,PWM站空比與e1成線性關系),利用單片機的寄存器,通過編寫一定的程序測得一組電機每轉過π/8對應的時間值,為了處理實際測量得到的數據,使用VC編寫一個數據處理程序,在Matlab中運行由VC程序自動生成的.m文件,就可以繪出擬人機器人手部DC電機的響應曲線。在Matlab中運行該文件就可以得到電機的響應曲線,如圖2所示。
  
  1.4電機數學模型的參數確定
  
  從前面的理論分析得到了一個電機的開環控制時域模型,可以將實際測量得到的電機的開環數據代入式(1),求出電機模型中的參數a,b,c。其中a=522284.126112083;b=1282.297371441;c=0.084348857;從而得到新的曲線,如圖3所示,為便于比較同時繪出了
  
  電機實際響應曲線。
  
  由圖3可看出理論計算得到的曲線與電機實際曲線的擬合度非常好,說明采用式(1)作為電機開環函數*可行。控制參數:a=522284.126112083;b=1282.297371441;c=0.084348857可以作為電機的仿真參數。因此擬人機器人手部電機開環系統的時域響應函數為:
  
  2、電機PID閉環控制系統仿真
  
  從以上分析可以看出,電機開環系統很容易受到干擾。因此在開環的基礎上,考慮構造電機的閉環控制系統。由于PD控制系統存在靜差,PI控制系統響應時間長,DI控制系統穩定性不好,鑒于此,下面考慮PID控制,其系統仿真模型如圖4所示。
  
  該系統的控制效果基本上令人滿意,圖5是部分控制效果模擬。
  
  由此可見,PID控制很好地結合了PI、PD控制系統的優點,避免了他們的缺陷,使系統zui終獲得了很高的控制精度、更快的響應速度、更突出的控制穩定性,因此zui終選擇PID作為機器人上肢DC電機的閉環控制系統。通過對比可以看出,該系統比較,超調量幾乎沒有,響應時間也很短,抗*力也很強。
  
  3、結語
  
  通過以上建模和仿真,找到了一個合適的控制方法,即PID控制,并且經過調節得到的一組較好的PID控制參數為KP=0.002;KD=5;KI=0.00000009。按照以上參數,系統zui終獲得了很高的控制精度、更快的響應速度、更突出的控制穩定性,幾乎能夠*抵抗外部的干擾。該仿真對擬人機器人手部控制節點的設計具有很重要的指導作用,同時該方法具有很強的普遍性,對于一般的直流電機的閉環控制也有一定的借鑒意義。

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