五自由度机器人的分数阶PID控制器制造技术

本发明专利技术针对五自由度机器人，设计了准确性更高的分数阶PID控制器。本发明专利技术的分数阶PID控制器的关键在于五个参数的整定与选取：首先根据已有的整数阶PID控制器，选择合适的分数阶阶次，再根据实际系统的需求由已知的参数确定其余的三个参数，最后将分数阶PID控制器与整数阶PID控制器相比较，显示了分数阶控制器的精准性。本发明专利技术设计合理、构思巧妙，能够提高五自由度机器人的精确性，确保机器人的可靠性，特别适用于医疗、民用机器人的设计中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人控制领域，具体涉及五自由度机器人分数阶PID控制器的设计。
技术介绍
从二十世纪中期发展起来的工业机器人到无人机，目前机器人已深入到军事，医疗，教育，日常生活等各行各业。机器人是伴随着计算机发展起来的一个热门方向。它是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它是集环境感知、定位、控制决策等于一体的综合性系统,主要涉及机械、电子、计算机、自动控制等多门学科,是国内外学术界和工业界的研究热点。美国NSF在2012年发布的项目指南中，响应了奥巴马总统在卡耐基梅隆大学的讲话，明确指出人机协作机器人是机器人学科未来的发展方向，将大力资助相关研究。机器人对系统的安全性和可靠性有着极高的要求。机器人系统出现故障和失效可以导致人身的重大损失。如何提高机器人系统的可靠性至关重要。机器人系统的可靠性主要依赖于其决策算法和控制系统。机器人的底层控制多采用的PID控制。PID控制器是过程控制中应用最广泛的控制器。分数阶PID控制器是PID控制器的扩展，容许微积分的阶次选择为分数，而不仅仅是整数，其传递函数为：（1）分数阶PID控制器由于引入了微分、积分阶次和，整个控制器多了两个可调参数，所以控制器参数的整定范围变大，控制器能够更灵活地控制受控对象，可以期望得出更好的控制效果，古典的整数阶控制器是分数阶PID控制器的特殊情况。由于控制器多了两个可调参数，和值允许取值为分数，而不是常规PID控制器中的1或控制理论中的其他整数，所以控制器参数的整定范围变大，故分数阶控制器能够更灵活地控制受控对象，提高了控制精度和准确性。分数阶PID控制器的出现是分数阶控制理论历史上的一个里程碑，为分数阶控制理论的发展奠定了基础。分数阶控制的意义就是对于古典的整数阶控制的扩展化，它可以提供建立更多的模型，得到更鲁棒的控制结果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对五自由度机器人，设计分数阶PID控制器。这种机器人的每个关节具有独立的伺服控制系统，再由一个中央处理器相连接，协调整体行为。这个机器人的每个关节相对灵活，不同于传统的工业机器人。每个关节的控制系统确保机器人能够精准地完成任务。机器人底层是这个经典的整数阶PID控制器。本专利技术在底层设计分数阶PID控制器，提高机器人的精准性。本专利技术提出的分数阶PID控制器的设计包括如下步骤：（1）对于五自由度机器人的每个底层控制系统，可以由现有的成熟软件设计出常规的整数阶PID控制器，得到整数阶PID控制器的三个参数Kp，Ki，Kd。在这三个参数的基础上，利用Simulink框图，根据ITAE准则，选取最优的分数阶次和。（2）根据上面确定的分数阶阶次，依据五自由度机器人每个控制系统的幅值裕量和相位裕量来确定分数阶PID控制器的另外三个参数Kp，Ki，Kd。从幅值裕量和相位裕量的基本定义出发，受控对象和控制器应该满足下列关系：（2）（3）其中为：，而满足：。将分数阶PID控制器用表达式(1)来代替，可得到控制器的三个系数Kp，Ki，Kd：（4）（5）（6）其中，，和还应满足最小化指标和下面的约束条件：（7）基于此，可以得到分数阶的阶次，故设计出准确性更高的分数阶PID控制器。最后，再与已有的整数阶控制器的控制结果相对比，检验分数阶PID控制器的控制效果。有益效果分数阶PID控制器由于引入分数阶次可以更加准确的控制实际复杂系统。本专利技术提出的分数阶PID控制器能够提高机器人的控制精度，提高机器人系统的可靠性。附图说明图1本专利技术实施例中分数阶控制Simulink框图；图2本专利技术实施例中由不同的分数阶阶次得到的一族阶跃响应曲线；图3本专利技术实施例中分数阶PID控制的阶跃响应曲线；图4本专利技术实施例中分数阶PID控制的Bode图；图5本专利技术实施例中分数阶PID控制器与整数阶PID控制器对比的阶跃响应曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。针对五自由度机器人的一个底层系统，其传递函数为：（8）由MATLAB的控制器设计软件，可设计整数阶PID控制器如下：（9）得到整数阶PID控制器的三个参数Kp=14，Ki=0.16，Kd=1.4。在这三个参数的基础上，搭建如图1所示的包含了分数阶阶次的Simulink框图。图中上部分是ITAE准则，右下部分是控制系统和受控系统。令两个分数的阶次分别从0.1变化到0.9，对应得到数十条相应曲线，如图2所示。从中选取最优的一组参数值：和，即得到两个分数阶的阶次。然后，再由这两个分数阶次确定分数阶PID控制器的其余三个参数。由实际中这个控制系统的幅值裕量和相位裕量来确定分数阶PID控制器的另外三个参数Kp，Ki，Kd。由幅值裕量和相位裕量的关系表达式，系统中，，及上面的约束条件，由本专利技术提出的方法得到分数阶PID控制器的另外三个参数为Kp=34，Ki=89，Kd=28。因此设计的分数阶PID控制器为：（10）受控对象在分数阶PID控制器控制下的阶跃响应如图3所示，对应的Bode图如图4所示。最后，对比整数阶PID控制器和分数阶PID控制器的控制结果，如图5所示，图中绿色的实线是分数阶PID控制器的控制结果，蓝色的虚线是整数阶PID控制器的控制结果。可见本专利技术的分数阶PID控制器在实时性和控制精度上都要好于整数阶PID控制器。本文档来自技高网...

【技术保护点】
五自由度机器人的分数阶PID控制器，其特征在于：针对五自由度机器人的底层控制，选取分数阶控制器的五个参数，设计准确性更好的分数阶PID控制器。

【技术特征摘要】
1.五自由度机器人的分数阶PID控制器，其特征在于：针对五自由度机器人的底层控制，选取分数阶控制器的五个参数，设计准确性更好的分数阶PID控制器。2.根据权利要求1所述的分数阶PID控制器，其特征在于：基于已设计的整数阶PID控制器，根据ITAE准则，选取最优的分数阶阶次。3.根据权利要求1所述的分数阶PID控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春娜，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南;53