擬人機器人上肢多關節控制參數整定

　　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。