課程設計---機器人和視覺系統(tǒng)的pid控制器設計

1、<p>　　機器人和視覺系統(tǒng)的PID控制器設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　PID控制是最早發(fā)展起來的經(jīng)典控制策略, 是用于過程控制最有效的策略之一。由于其原理簡單、技術成功，在實際應用中較易于整定, 在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。它最大的優(yōu)點是不需了解被控對象精確的數(shù)學模型,只需在線根據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡單參數(shù),

2、經(jīng)過經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線整定, 即可取得滿意的結(jié)果, 具有很大的適應性和靈活性。</p><p>　　機器視覺系統(tǒng)是指用計算機來實現(xiàn)人的視覺功能，也就是用計算機來實現(xiàn)對客觀的三維世界的識別。按現(xiàn)在的理解，人類視覺系統(tǒng)的感受部分是視網(wǎng)膜，它是一個三維采樣系統(tǒng)。三維物體的可見部分投影到網(wǎng)膜上，人們按照投影到視網(wǎng)膜上的二維的像來對該物體進行三維理解。 </p><p>　　本文使用PID控制器

3、對機器視覺系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使其優(yōu)化，并使用MATLAB對系統(tǒng)進行建模仿真。</p><p>　　關鍵字：PID控制器 機器視覺系統(tǒng) MATLAB</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Classical control strategy of PID control was first developed

4、, is one of the most effective strategies for process control. Due to its simple in principle, technology success, and in practice easier setting, it has been widely used in industrial control applications. Its greatest

5、advantage is that do not need to know precise mathematical model of the object being controlled just online based on a change of system errors and error rate and other simple parameters, after the experienced regulator &

6、lt;/p><p>　　Machine vision systems are systems that use computers to achievement of human visual function, which use computers to achieve of the objective recognition of three dimensional world. According to pr

7、esent understanding, feel part of the human visual system is the retina, which is a three dimensional sampling system. Three dimensional on the visible part of the object projected onto the retina, people follow the two

8、dimensional projected onto the retina as the object to be three dimensional unders</p><p>　　This article uses adjusted PID controller for machine vision systems, optimization, and modeling and simulation of

9、systems using MATLAB.</p><p>　　Keywords: PID controller , Machine vision system, MATLAB </p><p>　　已知機器人系統(tǒng)為單位反饋系統(tǒng)，被控對象為機器臂，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　使用MATLAB對對象進行分析：</p><p>　　1.

10、開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點分布圖及其根軌跡圖如下：</p><p>　　程序為：num=[1];den=[0.5,1.5,1];G=tf(num,den);</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p><b>　　pzmap(G);</b></p><p><b>　

11、　figure(2)</b></p><p>　　rlocus(G);</p><p><b>　　圖1 零極點分布圖</b></p><p><b>　　圖2 根軌跡圖</b></p><p>　　2．對其繪制階躍響應曲線，程序如下：</p><p>　　num

12、=[1];den=[0.5,1.5,1];G=tf(num,den);step(G)</p><p>　　圖3-1階躍響應曲線</p><p>　　圖3-2 階躍響應曲線及K,T,L對應值</p><p>　　從圖3-1,3-2中, 我們可以近似地提取出帶有延遲的一階環(huán)節(jié)模型L=0.315, T=2.25, K=0.999</p><p>

13、;　　3．已知被控對象的K、L 和T 值后, 我們可以根據(jù)Ziegler — Nichols整定公式編寫一 個MATLAB函數(shù)ziegler_std ( )用以設計PID控制器。該函數(shù)程序如下：</p><p>　　function [num,den,Kp,Ti,Td,H]=Ziegler_std (key,vars)</p><p>　　Ti=[ ];Td=[ ];H=[ ];</

14、p><p>　　K=vars(1) ;</p><p>　　L=vars(2) ;</p><p>　　T=vars (3);</p><p><b>　　a=K*L/T;</b></p><p><b>　　if key==1</b></p><p>　

15、　num=1/a; %判斷設計P 控制器</p><p>　　elseif key==2</p><p>　　Kp=0.9/a;Ti=3.33*L; %判斷設計PI 控制器</p><p>　　elseif key==3, &

16、lt;/p><p>　　Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2; %判斷設計PID控制器</p><p><b>　　end </b></p><p>　　switch key</p><p><b>　　case 1</b></p><p>　　nu

17、m=Kp;den=1; % P控制器</p><p><b>　　case 2</b></p><p>　　num=Kp*[Ti,1];den=[Ti,0]; % PI控制器</p><p>　　case 3

18、 % PID控制器</p><p>　　p0=[Ti*Td,0,0];</p><p>　　p1=[0,Ti,1];p2=[0,0,1];</p><p>　　p3=p0+p1+p2;</p><p><b>　　p4=Kp*p3;</b></p><p>　　num=p4/Ti

19、;</p><p>　　den=[1,0];</p><p><b>　　end</b></p><p>　　故PID控制器的參數(shù)，可以由函數(shù)Ziegler_std ( ) 得到。</p><p>　　在Matlab命令窗口輸入</p><p>　　>> K=0.999;L=0.315

20、;T=2.25;[num,den,Kp,Ti,Td]=Ziegler_std (3,[K,L,T])</p><p><b>　　運行結(jié)果如下:</b></p><p><b>　　num =</b></p><p>　　1.3514 8.5800 27.2381</p><p><

21、b>　　den =</b></p><p><b>　　1 0</b></p><p><b>　　Kp =</b></p><p><b>　　8.5800</b></p><p><b>　　Ti =</b></p>

22、;<p><b>　　0.6300</b></p><p><b>　　Td =</b></p><p><b>　　0.1575</b></p><p>　　4．為完成對系統(tǒng)的PID控制，我們可在動態(tài)仿真集成環(huán)境 Simulink下構(gòu)造系統(tǒng)模型( 如圖4所示，圖4-1為未加PID控制系

23、統(tǒng)仿真，圖4-2為加入PID控制系統(tǒng)仿真) 。</p><p>　　圖4-1 未加PID控制系統(tǒng)仿真</p><p>　　圖4-2 加入PID控制系統(tǒng)仿真</p><p>　　5． 在Simulink窗口下點擊開始仿真按鈕, 雙擊SCOPE圖標, 即得到階躍響應曲線( 如圖5所示) 。其中, 圖5-1為未接入PID 的階躍響應曲線, 圖5-2為接入PID 的閉環(huán)響應

24、曲線。</p><p>　　圖5-1未接入PID 的階躍響應曲線</p><p>　　圖5-2接入PID 的閉環(huán)響應曲線</p><p>　　由上圖可得超調(diào)量約為20.12%，調(diào)節(jié)時間約為5s，上升時間約為1.8s。</p><p>　?、俑膮?shù)使系統(tǒng)優(yōu)化，當Kp=8.5800,Ti=0.3333,Td=1.5750時</p>

25、<p>　　由上圖可知超調(diào)量約為3%，調(diào)節(jié)時間約為3s，上升時間約為2.1s。</p><p>　?、诋擪p=10.000,Ti=0.3333,Td=1.5750時</p><p>　　由上圖可知超調(diào)量約為4%，調(diào)節(jié)時間約為2.5s,上升時間約為1.9s。</p><p>　　6．結(jié)論：⒈未加PID時的系統(tǒng)分析為：</p><p>

26、;　　L=0.315, T=2.25, K=0.999</p><p>　　⒉加入PID后的系統(tǒng)分析為：</p><p>　?、臟p =8.5800Ti =0.6300Td =0.1575</p><p>　　超調(diào)量約為20.12%，調(diào)節(jié)時間約為5s，上升時間約為1.8s</p><p>　?、芀p=8.5800,Ti=0.3333,Td=1

27、.5750</p><p>　　超調(diào)量約為3%，調(diào)節(jié)時間約為3s，上升時間約為2.1s</p><p>　?、荎p=10.000,Ti=0.3333,Td=1.5750</p><p>　　超調(diào)量約為4%，調(diào)節(jié)時間約為2.5s,上升時間約為1.9s</p><p>　　PID控制中的積分作用可以減少穩(wěn)態(tài)誤差, 但另一方面也容易導致積分飽和,

28、使系統(tǒng)的超調(diào)量增大。微分作用可提高系統(tǒng)的響應速度, 但其對高頻干擾特別敏感, 甚至會導致系統(tǒng)失穩(wěn)。通過調(diào)節(jié)參數(shù)值使機器臂方位定位更精準。</p><p><b>　　7．參考文獻：</b></p><p>　?、僮詣涌刂圃?胡壽松著</p><p>　?、贛ATLAB輔助分析與設計軟件</p><p><b>

29、;　?、跴ID控制器設計</b></p><p><b>　　8．實習心得：</b></p><p>　　雖然僅是短短的一周時間，但在期間我受益匪淺，對MATLAB軟件的運用有了進一步的認識與運用，并且了解到PID控制系統(tǒng)的重要性。通過老師的講解及自己課后學習在自控仿真方面有了進一步的提高，對自控系統(tǒng)有了更深的學習，通過對系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化使系統(tǒng)改善。<