擬人機(jī)器人上肢多關(guān)節(jié)控制參數(shù)整定

摘要：為了得到擬人機(jī)器人上肢關(guān)節(jié)控制電機(jī)的精確參數(shù)，通過建立直流電機(jī)的物理和數(shù)學(xué)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(diào)節(jié)KP，KI，KD參數(shù)，系統(tǒng)獲得了較高的控制精度和響應(yīng)速度，幾乎能夠完全抵抗外部干擾，該仿真對擬人機(jī)器人手部控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計具有很重要的指導(dǎo)作用，對于一般的直流電機(jī)閉環(huán)控制也有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：擬人機(jī)器人；PID控制；直流電機(jī)建模；Matlab

0 引言

擬人機(jī)器人手部控制節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是接收機(jī)器人“大腦”(即上位機(jī))的指令，完成手部電機(jī)的速度及位置控制。擬人機(jī)器人手部電機(jī)采用DC電機(jī)，通常DC電機(jī)抗干擾能力有限。本文探索DC電機(jī)的PID閉環(huán)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(shù)：KP，KI，KD。文中首先對DC電機(jī)進(jìn)行物理抽象，進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)手段得到實(shí)際電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)。最后通過模擬手段，實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人手部電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)及速度閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的仿真，并通過調(diào)節(jié)KP，KI，KD獲得較好的抗干擾相應(yīng)。通過仿真得到的控制參數(shù)可以反過來用于指導(dǎo)控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。

1 DC電機(jī)建模

1．1 建立直流電機(jī)的物理模型

電機(jī)的物理模型如圖1所示。

1．2 DC電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

式(1)是理論分析得到的電機(jī)開環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型。判斷一個模型是否適用于實(shí)際的擬人機(jī)器人手部DC電機(jī)，需要將實(shí)際測量電機(jī)的相應(yīng)曲線和理論公式進(jìn)行比較。

1．3 實(shí)際電機(jī)的開環(huán)階躍響應(yīng)

為了確定上述電機(jī)模型的參數(shù)，同時驗(yàn)證上述電機(jī)模型的正確性，首先對電機(jī)進(jìn)行開環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，給定電機(jī)一個目標(biāo)速度設(shè)定，測出電機(jī)速度隨時間的變化曲線。擬人機(jī)器人手部電機(jī)裝有16線編碼盤，給電機(jī)加上128／256的PWM站空比(相當(dāng)于2．5 V電壓，PWM站空比與e1成線性關(guān)系)，利用單片機(jī)的寄存器，通過編寫一定的程序測得一組電機(jī)每轉(zhuǎn)過π／8對應(yīng)的時間值，為了處理實(shí)際測量得到的數(shù)據(jù)，使用VC編寫一個數(shù)據(jù)處理程序，在Matlab中運(yùn)行由VC程序自動生成的．m文件，就可以繪出擬人機(jī)器人手部DC電機(jī)的響應(yīng)曲線。在Matlab中運(yùn)行該文件就可以得到電機(jī)的響應(yīng)曲線，如圖2所示。