一种多自由度机械臂模糊自适应控制系统的设计

摘要

随着科技进步以及现代工业的发展，现代工业生产任务及操作环境变得更加复杂，要求机器人在自动化生产过程中具备更高的的智能和环境适应能力，以提高操作的可控性和准确性。 考虑机械臂动力学模型中存在未建模动态、摩擦力矩、外部干扰等不确定性因素，为了提高系统的轨迹跟踪控制性能，设计了自适应模糊 PID 控制器。并搭建了六自由度机械臂的软、硬件平台。硬件平台依据机械臂的控制需求,采用ARM 和 FPGA 综合设计方法,提供了多个扩展接口。整个系统采用模块化设计,包含核心控制模块、伺服电机和通讯模块等,各模块功能划分明确、清晰，相互之间采用标准通信方式。软件平台则由上位机控制软件对机械臂控制系统进行参数配置，本文设计的控制器是基于多目标克隆选择算法优化得到的自适应模糊-PID 控制器，利用自适应模糊 PID 控制器中的非线性 PID 反馈来抑制系统内外部扰动，该控制器可以根据跟踪误差以及跟踪误差变化率在不同的工作状态下选择合适的比例、积分、微分参数，对机械臂的控制参数按照实际工况进行在线调整。 本文采用 MATLAB 仿真软件，在搭建了六自由度软、硬平台的基础上，不失一般性，利用非线性二自由度机械臂实例，在 Simulink 中利用 S 函数模块搭建了机械臂的控制系统，并进行仿真。仿真结果表明相比传统的 PID 控制系统，整个系统得到了较好的优化。能够很好地补偿系统内部和外部扰动所引起的不确定性因素对轨迹跟踪控制精度的影响，控制器能够使系统实现对目标轨迹的快速、稳定跟踪控制，轨迹跟踪过程中，轨迹跟踪误差较小，达到了预期的控制要求，体现了控制器本身的控制性和稳定性。

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