一类机器人系统的轨迹跟踪控制设计

摘要

机器人技术已经被广泛应用于工程和国民经济建设等各个领域中，而且该技术逐渐成为当代信息技术、控制技术和系统集成技术发展的核心，因此，研究机器人技术具有十分重要的理论和现实意义。本文研究的是从Quanser公司购进的二自由度机器人系统，根据系统的设定轨迹，控制两个直流电机，进而控制与电机相连的四连杆机构的末端，使其在二维平面上做轨迹跟踪运动。本文的主要工作内容如下：
　　（一）针对二自由度机器人的模型建立了运动学正反解方程，根据直流电机的内部原理建立了输入电压与输出负载角度的传递函数方程。模型的建立为整个控制系统的搭建奠定基础。
　　（二）设计了PID控制器，并用遗传算法对PID三个参数进行了优化;另外，考虑到普通PID控制器的参数是固定的，当系统被控对象的参数变化时，运用该控制器可能不能取得良好的控制效果。因此，设计了非线性PID控制器，并用遗传算法对该控制器的参数进行了优化。
　　（三）考虑到系统耦合性、非线性，以及实际仿真中建立的模型不太精确等情况，设计了模糊控制器;对于普通模糊控制器的隶属度函数和控制规则固定等情况，设计了多个模糊控制器的软切换控制;针对模糊控制不能消除系统稳态误差的缺点，设计了多个模糊和非线性PID的软切换控制器，并用仿真验证了这些设计的有效性。
　　（四）利用上述理论结果，搭建二自由度机器人的硬件实物平台，并将之前设计的控制器应用在实物平台上。通过实验结果可以看出，四连杆末端能够很好的跟踪设定的轨迹，从而验证了所设计的控制器是有效的。
　　最后对论文的工作进行了总结，并对以后的工作做了展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文的研究背景及意义

1．2 二自由度机器人的研究现状

1．3 机器人控制算法的研究现状

1．4 本文的主要内容

第2章 二自由度机器人模型的建立

2．1 引言

2．2 机器人的系统构成

2．3 机器人的模型建立

2．3．1 系统描述

2．3．2 运动学方程的建立

2．3．3 直流电机模型的建立

2．4 本章小结

第3章 PID控制器的设计与仿真

3．1 引言

3．2 普通PID控制器的设计

3．2．1 PID控制器的结构设计

3．2．2 遗传算法参数整定

3．2．3 PID控制器的仿真

3．3 非线性PID控制器的设计

3．3．1 非线性PID控制器的设计思想

3．3．2 非线性PID控制器的仿真

3．4 本章小结

第4章 模糊切换控制器的设计与仿真

4．1 引言

4．2 模糊控制基础

4．2．1 模糊控制的基本原理

4．2．2 模糊控制器的设计过程

4．3 基本模糊控制器的设计与仿真

4．3．1 基本模糊控制器的设计

4．3．2 基本模糊控制器的仿真

4．4 多个模糊控制器的切换控制设计

4．4．1 多个模糊控制器软切换的基本结构

4．4．2 基于误差等级的多个模糊控制器的设计

4．4．3 软切换函数的选取

4．4．3 多个模糊控制器的软切换控制仿真

4．5 模糊和PID控制器的切换控制设计

4．5．1 模糊控制的局限

4．5．2 模糊和非线性PID切换控制器的设计与仿真

4．6 本章小结

第5章 二自由度机器人的半实物仿真

5．1 引言

5．2 二自由度机器人的硬件实物

5．2．1 硬件平台组成

5．2．2 系统硬件连接

5．2．3 系统软件安装

5．2．4 系统硬件和软件测试

5．3 二自由度机器人的实时控制

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢