一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法，包括：建立电动舵机的数学模型，得到所述电动舵机驱动系统的闭环传递函数，基于所述闭环传递函数，对所述电动舵机的输出角度进行控制，包括：根据所述驱动系统中的超调量和调整时间，通过正交试验确定参数kp、ki、kd；分别将角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt以及调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd转换为模糊论域中的量化等级；将所述角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt输入模糊控制器，模糊控制器输出是调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd；通过模糊PID控制器形成三个参数kp′、ki′、kd′，得到稳定输出角度，进而对所述驱动系统进行控制；其中，kp′＝kp+Δkp，ki′＝ki+Δki，kd′＝kd+Δkd。

A Kinematic Control Method of Series Manipulator Driving System Based on Orthogonal Fuzzy PID

The invention discloses a motion control method of a series manipulator drive system based on orthogonal fuzzy PID, which includes: establishing a mathematical model of an electric steering gear, obtaining a closed-loop transfer function of the electric steering gear drive system, and controlling the output angle of the electric steering gear based on the closed-loop transfer function, including: According to the overshoot and adjustment time in the drive system, the parameters kp, Ki and KD are determined by orthogonal experiment, and the angle deviation e (t), the angle deviation change rate de (t)/dt and the parameters of the PID controller kp, Ki and KD are converted to the quantization level in the fuzzy universe, respectively. The angle deviation e (t) and the angle deviation change rate D are converted to the quantization level in the fuzzy universe. E(t)/dt input fuzzy controller, the output of the fuzzy controller is to adjust the parameters of the PID controller kp, Ki and kd; three parameters kp', ki', kd', are formed by the fuzzy PID controller, and the stable output angle is obtained, and then the drive system is controlled; among them, kp'=kp+kp, ki'=ki+kd, kd'=kd+kd'. \u3002

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法
本专利技术涉及工业化机器人自动控制领域，具体涉及一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法。
技术介绍
由于现代服务业发展迅速，服务机器人需要满足响应速度快、精度高、运动稳定性好等特点，要满足这些条件就必须对其进行优化控制。由于PID控制是最早发展起来的控制策略之一，因其算法简单、鲁棒性好等特点，所以在工业控制中被广泛应用。但其也具有参数难以确定、无法满足复杂的高精度的控制场合、在时变系统中适应性下降等诸多缺陷。在工业伺服驱动系统中，PID参数的设定通常达不到全局的最优解，但是利用正交试验的方法能够在有限的试验次数中，得到控制效果较佳的PID参数值。王幼民等在2007年利用正交试验法对电液伺服系统PID参数进行整定，提高了电液伺服系统的控制精度，减少了响应时间且减少了试验次数。彭安华等在2011年利用正交试验法对机床闭环伺服系统进行PID参数优化，减少了超调量和上升时间。在另一方面，传统的PID控制会因为外部环境的微小变化就会脱离最佳稳态,无法满足复杂的高精度控制以及工业伺服驱动系统的稳定性控制。把传统的PID控制方法引入模糊控制器，使用模糊PID控制可以使系统获得良好的静态和动态特性。哈尔滨工程大学江霞等在2009年利用机械手的力反馈，运用模糊PID控制机械手，具有很好的动态品质，上升时间快，超调较小，且在仿真时间内，具有较高的控制精度，较强的鲁棒性。
技术实现思路
本专利技术设计开发了一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法，本专利技术目的之一是通过正交试验能够在有限的试验次数中，得到控制效果最佳的PID参数值。本专利技术目的之二是在传统的PID控制器中引入模糊控制器，进而满足复杂的高精度控制以及工业伺服驱动系统的稳定性。本专利技术提供的技术方案为：一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法，建立电动舵机的数学模型，得到所述电动舵机驱动系统的闭环传递函数，基于所述闭环传递函数，对所述电动舵机的输出角度进行控制，包括：根据所述驱动系统中的超调量和调整时间，通过正交试验确定参数kp、ki、kd；分别将角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt以及调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd转换为模糊论域中的量化等级；将所述角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt输入模糊控制器，模糊控制器输出是调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd；通过模糊PID控制器形成三个参数k′p、k′i、k′d，得到稳定输出角度，进而对所述驱动系统进行控制；其中，k′p＝kp+Δkp，k′i＝ki+Δki，k′d＝kd+Δkd。优选的是，所述闭环传递函数为式中，K1＝KcKPWM，K2＝180/KEKiπ，KE为反电动势系数，Ki为传动机构的传动比，Te称之为电磁时间常数，Tm称之为机电时间常数，KF为舵面反馈系数。优选的是，所述角度偏差e(t)的论域为[-1，1]，量化因为为2，所述角度偏差变化率de(t)/dt的论域为[-0.014，0.014]，量化因子为0.007，所述参数Δkp、Δki、Δkd的论域分别为[-0.1，0.1]、[-20，20]、[-0.02，0.02]，量化因子分别为0.05、10、0.01。优选的是，所述角度偏差e(t)分为5个等级，角度偏差变化率de(t)/dt分为5个等级，所述角度偏差e(t)及所述角度偏差变化率de(t)/dt的模糊集为{NL，NS，ZO，PS，PL}；PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd均分为5个等级，模糊集为{NL，NS，ZO，PS，PL}。优选的是，所述模糊控制规则为：如果角度偏差e(t)输入为较大，参数Δkp输出为较大，Δki输出为较小，Δkd输出为较小；如果角度偏差e(t)输入为中等，参数Δkp输出为较小，Δki输出为中等，Δkd输出为中等；如果角度偏差e(t)输入为较小，参数Δkp输出为较大，Δki输出为较大；并且如果角度偏差变化率de(t)/dt输入为较小，Δkd输出为较大，如果角度偏差变化率de(t)/dt输入为较大，Δkd输出为较小。优选的是，所述驱动系统中的超调量在15％以内。优选的是，0.1≤kp≤1、10≤ki≤20、0.01≤kd≤0.03。优选的是，kp＝0.1、ki＝20、kd＝0.01。优选的是，所述电动舵机为ASMC-03B。本专利技术与现有技术相比较所具有的有益效果：1、由于经验选取PID参数的随机性，导致模糊PID的控制效果无法达到最佳，本专利技术在其基础上采用了正交优化的方法对其PID参数进行整定。相比于模糊PID控制方法，利用正交试验法对PID参数进行整定，试验次数较少，能快速确定合适的PID参数，使系统的模糊控制程度达到最佳。对比分析正交-模糊PID控制和模糊PID控制，发现正交-模糊PID优化出最佳因素水平组合的系统属于过阻尼系统，虽然正交-模糊PID控制的上升时间和调整时间增加了约0.65s，消除了机械手在稳定状态附近的震荡过程，提高了系统运动控制的稳定性；2、相对于开环控制，模糊PID控制在调整时间上增加了1～2秒，平均角度相对误差减小4％左右，平均位置误差减小60％左右；相对于模糊PID控制，正交-模糊PID控制在上升时间，调整时间上有少量增加，平均角度相对误差减小1.5％左右，平均位置误差减小50％左右。这项研究表明了正交-模糊PID控制能更大程度的提高系统的准确性。附图说明图1为本专利技术所述的电动舵机伺服驱动系统的线性传递函数框图。图2为本专利技术所述的舵机闭环传递函数的伯德图。图3为本专利技术所述的开环控制Simulink仿真结果。图4为本专利技术所述的PID控制Simulink仿真结果。图5为本专利技术所述的正交优化的PID控制Simulink仿真结果。图6为本专利技术所述的模糊PID控制器原理示意图。图7为本专利技术所述的模糊PID控制Simulink仿真结果。图8为本专利技术所述的搭建实验平台示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本专利技术针对捡拾机器人关节驱动系统电动舵机的控制，提出了一种基于正交-模糊PID伺服驱动智能控制方法，建立了电动舵机的数学模型，分析了其闭环系统的稳定性；在传统的PID控制中加入正交优化和模糊控制的方法，正交优化可减少PID参数的调节次数，模糊控制可提高PID控制的适应能力；正交-模糊PID优化出最佳因素水平组合的系统属于过阻尼系统，避免了欠阻尼在稳定状态附近的震荡过程；仿真和实验验证本专利技术提出控制方法的有效性。本专利技术中提出的一种基于正交-模糊PID伺服驱动智能控制方法，具体包括如下步骤：步骤一、建立电动舵机的数学模型；电动舵机的驱动系统一般由控制器、驱动器、直流电机、减速传动机构、反馈电位器等模块组成；直流电机是电动舵机核心部件，在不考虑阻尼力矩、摩擦力矩的条件下，可以建立其动态过程中的数学模型；直流电机回路的电压平衡方程可表示为：式中，ua为电机回路电压；ia为电机回路电流；Ra为电机回路总电阻；Eb为电机反电动势；L为电机总电感。直流电机的反电动势可表示为：式中，KE为反电动势系数；θ为直流电机的旋转角度。直流电机的转矩方程和转矩平衡方程可表示为：式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法，其特征在于，建立电动舵机的数学模型，得到所述电动舵机驱动系统的闭环传递函数，基于所述闭环传递函数，对所述电动舵机的输出角度进行控制，包括：根据所述驱动系统中的超调量和调整时间，通过正交试验确定参数kp、ki、kd；分别将角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt以及调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd转换为模糊论域中的量化等级；将所述角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt输入模糊控制器，模糊控制器输出是调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd；通过模糊PID控制器形成三个参数kp′、ki′、kd′，得到稳定输出角度，进而对所述驱动系统进行控制；其中，kp′＝kp+Δkp，ki′＝ki+Δki，kd′＝kd+Δkd。

【技术特征摘要】
1.一种基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法，其特征在于，建立电动舵机的数学模型，得到所述电动舵机驱动系统的闭环传递函数，基于所述闭环传递函数，对所述电动舵机的输出角度进行控制，包括：根据所述驱动系统中的超调量和调整时间，通过正交试验确定参数kp、ki、kd；分别将角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt以及调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd转换为模糊论域中的量化等级；将所述角度偏差e(t)、角度偏差变化率de(t)/dt输入模糊控制器，模糊控制器输出是调整PID控制器参数的Δkp、Δki、Δkd；通过模糊PID控制器形成三个参数kp′、ki′、kd′，得到稳定输出角度，进而对所述驱动系统进行控制；其中，kp′＝kp+Δkp，ki′＝ki+Δki，kd′＝kd+Δkd。2.如权利要求1所述的基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法，其特征在于，所述闭环传递函数为式中，K1＝KcKPWM，K2＝180/KEKiπ，KE为反电动势系数，Ki为传动机构的传动比，Te称之为电磁时间常数，Tm称之为机电时间常数，KF为舵面反馈系数。3.如权利要求2所述的基于正交模糊PID的串联机械手驱动系统运动控制方法，其特征在于，所述角度偏差e(t)的论域为[-1，1]，量化因为为2，所述角度偏差变化率de(t)/dt的论域为[-0.014，0.014]，量化因子为0.007，所述参数Δkp、Δki、Δkd的论域分别为[-0.1，0.1]、[-20，20]、[-0.02，0.02]，量化因子分别为0.05、10、0.01。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振忠，周海波，陈睿，张建军，张好鑫，周顺，马世泰，于恒彬，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12