自动控制基于MANUTEC机器人手臂PID控制的研究.docx

基于MANUTEC机器人手臂PID控制的研究摘要：现代电子技术日新月异，许多单一重复的工作逐渐都由机器取代了人。机械臂就是其中的一个例子，现就此问题研究有关基本PID控制以及智能PID控制的联系与区别，完成自动控制的课程设计。关键词：机械臂 PID控制 智能PID 参数整定Abstract：As the development of modern electronic technology, many simple and repeated works which were done by people are gradually replaced by robots. Robotic arm is an example of which is now on this issue to study the links and differences between the basic PID control and intelligent PID control, complete automatic control of curriculum design.Key words：Robotic arm PID control intelligent PID control Parameter tuningMANUTEC机器人具有很大的惯性和较长的手臂，其实物图如下图所示。（研究问题来源：自动控制原理课本P237 6-8）机械臂的动力特性可以表示为：要求：采用不同的方法，使得系统的阶跃响应超调量小于20%，上升时间小于0.5S，调节时间小于1.2S（误差取2%）.G0（s）原系统模型建立：、R（s）＋ C(s) －利用matlab进行时域以及频域的分析：a．时域分析系统闭环传递函数为也即Matlab文本如下：num=[250];den=[1 87 1970 3600 250];sys=tf(num,den);p=roots(den)t=0:0.01:100;step(sys,t);gridxlabel(t);ylabel(C(t));title(step response)参考资料见自动控制原理课本最终得到的闭环特征根为：S1=-44.9740 S2=-40.0331 S3=-1.9207 S4=-0.0723；即证明系统稳定。其阶跃响应为：在matlab所得图中右键可得：调节时间，超调量，上升时间 显然原系统是无法达到要求的！！下面介绍用simulink仿真得到的时域响应方框图：示波器观察到的时域响应波形：得到的相应曲线与直接用matlab编程得到的结果是一致的。简单的比较matlab编程求解与用matlab工具包simulink仿真的优劣简单（传递函数比较简单）的单位负反馈系统，由于计算简便，所以可以直接用matlab基础编程实现，而且可以显示超调量，调节时间以及上升时间。对于比较复杂，计算量很大，有多个方块，特别是反馈网路中有方块的系统，若对于上升时间，调节时间以及超调量的精度要求不高，就可用simulink仿真得到结果，估读出结果。b．频域分析同样建立开环传递函数：Matlab文本如下：G=tf([250],[1 87 1970 3600 0]); （红色字体为发现问题后修改的！）margin(G);运行结果如下：系统的幅值裕度h=50.1dB 相角裕度 即系统稳定！由于原系统不能满足实际的要求，所以需要改进。解决问题：第一种改良方案：临界比例度法 （Z-N法）参考资料 《工业过程控制中的PID整定方法》 付冬梅教授模型建立：G0(s)G(s) R(s) + _令其中G(s)=Kp，用matlab调试，直至阶跃响应出现等幅震荡结果当Kp时，出现等幅震荡，如图则Km=320 Tm=1s可按塔卡哈什经验公式整定PID控制器参数控制器参数KpTiTdPPIPID0.5Km0.45Km0.6Km0.85Tm0.5Tm0.125Tm选择其中的PID改进作为测试相应的闭环特征方程：所以Matlab文本如下：sys=tf([125 2000],[4 348 7880 14525 2000]);p=roots([4 348 7880 14525 2000])t=0:0.1:10;step(sys,t);grid得到如下的结果：（右边为simulink仿真结果）其中：调节时间t=9.16s 上升时间t=0.237s 超调量 使用临界比例度法整定PID最终只有上升时间达到要求，超调量很大，也就是说Z-N法有增幅震荡的危险性，甚至有可能使系统破坏。另附用根轨迹的方法确定Km的值Matlab文本：G=tf([250],[1 87 1970 3600 0]);figure(1)pzmap(G);figure(2)rloc