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1、摘 要为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。当今的自动控制制技术都是基基于反馈的概概念。反馈理理论的要素
2、包包括三个部分分：测量、比比较和执行。测测量关心的变变量，与期望望值相比较，用用这个误差纠纠正调节控制制系统的响应应。这个理论论和应用自动动控制的关键键是，做出正正确的测量和和比较后，如如何才能更好好地纠正系统统。PID（比例-积分-微分分）控制器作作为最早实用用化的控制器器已有50多多年历史，现现在仍然是应应用最广泛的的工业控制器器。PID控控制器简单易易懂，使用中中不需精确的的系统模型等等先决条件，因因而成为应用用最为广泛的的控制器。它由于用途广泛泛、使用灵活活，已有系列列化产品，使使用中只需设设定三个参数数（Kp， Ti和Tdd）即可。在在很多情况下下，并不一定定需要全部三三个单元，可可
3、以取其中的的一到两个单单元，但比例例控制单元是是必不可少的的。关键词：机器人人，机器人控制制，PID，自动控制目 录摘 要I第1章 绪论11.1 机器人人控制系统11.2 机器人人控制的关键键技术1第2章 机器人人PID控制22.1 PIDD控制器的组组成22.2 PIDD控制器的研研究现状22.3 PIDD控制器的不不足3第3章 PIDD控制的原理理和特点43.1 PIDD控制的原理理43.2 PIDD控制的特点点5第4章 PIDD控制器的参参数整定5后 记6III第1章 绪论1.1 机器人人控制系统机器人控制系统统是机器人的的大脑，是决决定机器人功功能和性能的的主要因素。工工业机器人控控制
4、技术的主主要任务就是是控制工业机机器人在工作作空间中的运运动位置、姿姿态和轨迹、操操作顺序及动动作的时间等等。具有编程程简单、软件件菜单操作、友友好的人机交交互界面、在在线操作提示示和使用方便便等特点。1.2 机器人人控制的关键技技术关键技术包括：(1)开放性模模块化的控制制系统体系结结构：采用分分布式CPUU计算机结构构，分为机器器人控制器(RC)，运运动控制器(MC)，光光电隔离I/O控制板、传传感器处理板板和编程示教教盒等。机器器人控制器(RC)和编编程示教盒通通过串口/CCAN总线进进行通讯。机机器人控制器器(RC)的的主计算机完完成机器人的的运动规划、插插补和位置伺伺服以及主控控逻辑
5、、数字字I/O、传传感器处理等等功能，而编编程示教盒完完成信息的显显示和按键的的输入。(2)模块化层层次化的控制制器软件系统统：软件系统统建立在基于于开源的实时时多任务操作作系统Linnux上，采采用分层和模模块化结构设设计，以实现现软件系统的的开放性。整整个控制器软软件系统分为为三个层次：硬件驱动层层、核心层和和应用层。三三个层次分别别面对不同的的功能需求，对对应不同层次次的开发，系系统中各个层层次内部由若若干个功能相相对对立的模模块组成，这这些功能模块块相互协作共共同实现该层层次所提供的的功能。(3)机器人的的故障诊断与与安全维护技技术：通过各各种信息，对对机器人故障障进行诊断，并并进行相
6、应维维护，是保证证机器人安全全性的关键技技术。(4)网络化机机器人控制器器技术：目前前机器人的应应用工程由单单台机器人工工作站向机器器人生产线发发展，机器人人控制器的联联网技术变得得越来越重要要。控制器上上具有串口、现现场总线及以以太网的联网网功能。可用用于机器人控控制器之间和和机器人控制制器同上位机机的通讯，便便于对机器人人生产线进行行监控、诊断断和管理。第2章 机器人人PID控制2.1 PIDD控制器的组组成PID控制器由由比例单元（PP）、积分单单元（I）和和微分单元（DD）组成。其其输入e (t)与输出出u (t)的关系为uu(t)=KKp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*dee
7、(t)/ddt) 式中积分的上下下限分别是00和t，因此它的传递函函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TII*s)+TTD*s)；其中Kp为比例例系数；TII为积分时间间常数；TD为微分分时间常数。它由于用途广泛泛、使用灵活活，已有系列列化产品，使使用中只需设设定三个参数数（Kp， Ti和Tdd）即可。在在很多情况下下，并不一定定需要全部三三个单元，可可以取其中的的一到两个单单元，但比例例控制单元是是必不可少的的。首先，PID应应用范围广。虽虽然很多工业业过程是非线线性或时变的的，但通过对对其简化可以以变成基本线线性和动态特特性不随时间间变化的系统统，这样PIID就可控制制了
8、。其次，PID参参数较易整定定。也就是，PPID参数KKp，Ti和和Td可以根根据过程的动动态特性及时时整定。如果果过程的动态态特性变化，例例如可能由负负载的变化引引起系统动态态特性变化，PPID参数就就可以重新整整定。2.2 PIDD控制器的研研究现状虽然有这些缺点点，PID控控制器是最简简单的有时却却是最好的控控制器。目前工业自动化化水平已成为为衡量各行各各业现代化水水平的一个重重要标志。同同时，控制理理论的发展也也经历了古典典控制理论、现现代控制理论论和智能控制制理论三个阶阶段。智能控控制的典型实实例是模糊全全自动洗衣机机等。自动控控制系统可分分为开环控制制系统和闭环环控制系统。一一个控
9、制系统统包括控制器器、传感器、变变送器、执行行机构、输入入输出接口。控控制器的输出出经过输出接接口、执行机机构，加到被被控系统上；控制系统的的被控量，经经过传感器，变变送器，通过过输入接口送送到控制器。不不同的控制系系统，其传感感器、变送器器、执行机构构是不一样的的。比如压力力控制系统要要采用压力传传感器。电加加热控制系统统的传感器是是温度传感器器。目前，PPID控制及及其控制器或或智能PIDD控制器（仪仪表）已经很很多，产品已已在工程实际际中得到了广广泛的应用，有有各种各样的的PID控制制器产品，各各大公司均开开发了具有PPID参数自自整定功能的的智能调节器器，其中PIID控制器参参数的自动
10、调调整是通过智智能化调整或或自校正、自自适应算法来来实现。2.3 PIDD控制器的不不足在一些情况下针针对特定的系系统设计的PPID控制器器控制得很好好，但它们仍仍存在一些问问题需要解决决：如果自整定要以以模型为基础础，为了PIID参数的重重新整定在线线寻找和保持持好过程模型型是较难的。闭闭环工作时，要要求在过程中中插入一个测测试信号。这这个方法会引引起扰动，所所以基于模型型的PID参参数自整定在在工业应用不不是太好。如果自整定是基基于控制律的的，经常难以以把由负载干干扰引起的影影响和过程动动态特性变化化引起的影响响区分开来，因因此受到干扰扰的影响控制制器会产生超超调，产生一一个不必要的的自适
11、应转换换。另外，由由于基于控制制律的系统没没有成熟的稳稳定性分析方方法，参数整整定可靠与否否存在很多问问题。因此，许多自身身整定参数的的PID控制制器经常工作作在自动整定定模式而不是是连续的自身身整定模式。自自动整定通常常是指根据开开环状态确定定的简单过程程模型自动计计算PID参参数。PID在控制非非线性、时变变、耦合及参参数和结构不不确定的复杂杂过程时，工工作地不是太太好。最重要要的是，如果果PID控制制器不能控制制复杂过程，无无论怎么调参参数都没用。第3章 PIDD控制的原理理和特点3.1 PIDD控制的原理在工程实际中，应应用最为广泛泛的调节器控控制规律为比比例、积分、微微分控制，简简称
12、PID控控制，又称PPID调节。PPID控制器器问世至今已已有近70年年历史，它以以其结构简单单、稳定性好好、工作可靠靠、调整方便便而成为工业业控制的主要要技术之一。当当被控对象的的结构和参数数不能完全掌掌握，或得不不到精确的数数学模型时，控控制理论的其其它技术难以以采用时，系系统控制器的的结构和参数数必须依靠经经验和现场调调试来确定，这这时应用PIID控制技术术最为方便。即即当我们不完完全了解一个个系统和被控控对象，或不不能通过有效效的测量手段段来获得系统统参数时，最最适合用PIID控制技术术。PID控控制，实际中中也有PI和和PD控制。PPID控制器器就是根据系系统的误差，利利用比例、积积
13、分、微分计计算出控制量量进行控制的的。比例（P）控制制比例控制是一种种最简单的控控制方式。其其控制器的输输出与输入误误差信号成比比例关系。当当仅有比例控控制时系统输输出存在稳态态误差。积分（I）控制制在积分控制中，控控制器的输出出与输入误差差信号的积分分成正比关系系。对一个自自动控制系统统，如果在进进入稳态后存存在稳态误差差，则称这个个控制系统是是有稳态误差差的或简称有有差系统。为为了消除稳态态误差，在控控制器中必须须引入积分项项。积分项对对误差取决于于时间的积分分，随着时间间的增加，积积分项会增大大。这样，即即便误差很小小，积分项也也会随着时间间的增加而加加大，它推动动控制器的输输出增大使稳
14、稳态误差进一一步减小，直直到等于零。因因此，比例+积分(PII)控制器，可可以使系统在在进入稳态后后无稳态误差差。微分（D）控制制在微分控制中，控控制器的输出出与输入误差差信号的微分分（即误差的的变化率）成成正比关系。自自动控制系统统在克服误差差的调节过程程中可能会出出现振荡甚至至失稳。其原原因是由于存存在有较大惯惯性环节或有有滞后组件，具具有抑制误差差的作用，其其变化总是落落后于误差的的变化。解决决的办法是使使抑制误差的的作用的变化化超前，即在在误差接近零零时，抑制误误差的作用就就应该是零。这这就是说，在在控制器中仅仅引入比例项项往往是不够够的，比例项项的作用仅是是放大误差的的幅值，而目目前
15、需要增加加的是微分项项，它能预测测误差变化的的趋势，这样样，具有比例例+微分的控控制器，就能能够提前使抑抑制误差的控控制作用等于于零，甚至为为负值，从而而避免了被控控量的严重超超调。所以对对有较大惯性性或滞后的被被控对象，比比例+微分(PD)控制制器能改善系系统在调节过过程中的动态态特性。3.2 PIDD控制的特点点在PID 控制制中，积分控控制的特点是是：只要还有有余差（即残残余的控制偏偏差）存在，积积分控制就按按部就班地逐逐渐增加控制制作用，直到到余差消失。所所以积分的效效果比较缓慢慢，除特殊情情况外，作为为基本控制作作用，缓不救救急。微分控控制的特点是是：尽管实际际测量值还比比设定值低，
16、但但其快速上扬扬的冲势需要要及早加以抑抑制，否则，等等到实际值超超过设定值再再作反应就晚晚了，这就是是微分控制施施展身手的地地方了。作为为基本控制使使用，微分控控制只看趋势势，不看具体体数值所在，所所以最理想的的情况也就是是把实际值稳稳定下来，但但稳定在什么么地方就要看看你的运气了了，所以微分分控制也不能能作为基本控控制作用。比比例控制没有有这些问题，比比例控制的反反应快，稳定定性好，是最最基本的控制制作用，是 “皮”，积分、微微分控制是对对比例控制起起增强作用的的，极少单独独使用，所以以是”毛”。在实际使使用中比例和和积分一般一一起使用，比比例承担主要要的控制作用用，积分帮助助消除余差。微微
17、分只有在被被控对象反应应迟缓，需要要在开始有所所反应时，及及早补偿，才才予以采用。只只用比例和微微分的情况很很少见。第4章 PIDD控制器的参参数整定PID控制器的的参数整定是是控制系统设设计的核心内内容。它是根根据被控过程程的特性确定定PID控制制器的比例系系数、积分时时间和微分时时间的大小。PPID控制器器参数整定的的方法很多，概概括起来有两两大类：一是是理论计算整整定法。它主主要是依据系系统的数学模模型，经过理理论计算确定定控制器参数数。这种方法法所得到的计计算数据未必必可以直接用用，还必须通通过工程实际际进行调整和和修改。二是是工程整定方方法，它主要要依赖工程经经验，直接在在控制系统的
18、的试验中进行行，且方法简简单、易于掌握，在在工程实际中中被广泛采用用。PID控控制器参数的的工程整定方方法，主要有有临界比例法法、反应曲线线法和衰减法法。三种方法法各有其特点点，其共同点点都是通过试试验，然后按按照工程经验验公式对控制制器参数进行行整定。但无无论采用哪一一种方法所得得到的控制器器参数，都需需要在实际运运行中进行最最后调整与完完善。现在一一般采用的是是临界比例法法。利用该方方法进行 PPID控制器器参数的整定定步骤如下：(1)首先先预选择一个个足够短的采采样周期让系系统工作；(2)仅加入入比例控制环环节，直到系系统对输入的的阶跃响应出出现临界振荡荡，记下这时时的比例放大大系数和临
19、界界振荡周期；(3)在一一定的控制度度下通过公式式计算得到PPID控制器器的参数。后 记机器人控制系统统是机器人的的大脑，是决决定机器人功功能和性能的的主要因素。机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。机器人技术涉及计算机、电子、控制等多学科专业，是近年来高新技术发展的一个重要领域和研究热点。随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作而具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器的研究无疑对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大意义。- 9 -