机械臂的转矩自动控制方案设计及其仿真研究.docx

摘要：机械臂在智能制造中被广泛应用，也是机器人的基本部件之一。机械臂的稳定合理转矩控制方案的设计和运用，是确保其能正常工作的前提。不合理的控制方案非但不能使机构正常工作，还会损坏设备。作用于机械臂各关节之上的转矩矩分为两部份，一部分为由重力、负荷以及阻尼等产生的扰动转矩，另一部分则是通过控制器输出的转矩，控制器根据特定的控制算法，得到控制转矩，它与前述第一部分转矩合成之后，共同作用于机械臂之上。本设计研究多自由度机械的控制及其仿真，采用基于PD控制的重力补偿控制方案，各关节相邻臂之间的相对转角及其角速度被作为原开环系统的状态量和输出量，参考输入为各给定的期望相对转角位置。输出量被反馈至输入端与参考输入相减，得到角度位置偏差和角速度偏差，选定合适的比例系数矩阵和微分系数矩阵，将它们分别与角度位置偏差和角速度偏差相乘，然后再合成，由此得到控制转矩，将其与扰动转矩合成，运用物理定律获得机械臂的角加速度。对一个实例进行了Simulink 仿真试验，其中，多输入多输出的PD控制器和表示物理定律的系统计算皆用S-函数表示。结果令人满意。

关键字：刚性机械臂；隶属函数设计；PID控制；Lyapunov函数

目录

摘要

Abstract

1. 绪论-1

1.1 课题研究的背景和意义-1

1.2 国外、内研究现状-1

1.3 机器人动力学模型和结构特性-3

1.4 机器人控制方法-3

1.4.1 机器人控制方法简介-3

1.4.2 机器人常用的控制方法-3

2、关于计算机软件Matlab-4

2.1、Matlab的发展-4

2.2、Matlab的特点和能力-5

3、基于S函数的Simulink仿真-6

3.1、S函数的大体内容-6

3.2、S函数使用步骤-7

3.3、S函数的一些表达-7

3.4、SIMULINK的建模与仿真-7

4、状态空间分析-9

4.1、状态与状态空间-9

4.2 状态方程的线性变换-10

4.3 线性系统的可控性和可观性-10

4.4 状态方程与输出方程-11

5、解耦控制-11

5.1、解耦的条件-12

5.2、解耦控制的综合算法-12

5.2.1、对角线综合矩阵法-12

5.2.2、单位矩阵综合法-14

5.2.3、前馈补偿综合法-14

6、 机器人PID控制-16

6.1、基本PID控制-16

6.2、PID控制的改进-16

6.2.1、积分控制-16

6.2.2、不完全微分PID控制算法-17

6.2.3、微分先行PID控制算式-18

6.2.4、带死区的PID控制-18

6.3、PID控制器的工程实现-18

6.4.1、PID控制器参数对控制性能的影响-18

6.4.2、控制规律的选择-19

6.4.3、采样周期的选择-19

6.4.4、PID参数的整定-19

7、 独立PD控制-20

7.1、控制律设计-20

7.2、李雅普诺夫稳定性-21

7.3、收敛性分析-23

8、仿真实例-23

9、-总结与展望-30

参 考 文 献-31

致 谢-33