課程設(shè)計(jì)---機(jī)器人和視覺(jué)系統(tǒng)的pid控制器設(shè)計(jì)

1、<p>　　機(jī)器人和視覺(jué)系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的經(jīng)典控制策略, 是用于過(guò)程控制最有效的策略之一。由于其原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成功，在實(shí)際應(yīng)用中較易于整定, 在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點(diǎn)是不需了解被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,只需在線(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡(jiǎn)單參數(shù),

2、經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線(xiàn)整定, 即可取得滿(mǎn)意的結(jié)果, 具有很大的適應(yīng)性和靈活性。</p><p>　　機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)功能，也就是用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀的三維世界的識(shí)別。按現(xiàn)在的理解，人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的感受部分是視網(wǎng)膜，它是一個(gè)三維采樣系統(tǒng)。三維物體的可見(jiàn)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(lái)對(duì)該物體進(jìn)行三維理解。 </p><p>　　本文使用PID控制器

3、對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其優(yōu)化，并使用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。</p><p>　　關(guān)鍵字：PID控制器 機(jī)器視覺(jué)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(jī)器人系統(tǒng)為單位反饋系統(tǒng)，被控對(duì)象為機(jī)器臂，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　使用MATLAB對(duì)對(duì)象進(jìn)行分析：</p><p>　　1.

10、開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布圖及其根軌跡圖如下：</p><p>　　程序?yàn)椋簄um=[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(diǎn)分布圖</b></p><p><b>　　圖2 根軌跡圖</b></p><p>　　2．對(duì)其繪制階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，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(yīng)曲線(xiàn)</p><p>　　圖3-2 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)及K,T,L對(duì)應(yīng)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(duì)象的K、L 和T 值后, 我們可以根據(jù)Ziegler — Nichols整定公式編寫(xiě)一 個(gè)MATLAB函數(shù)ziegler_std ( )用以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)P 控制器</p><p>　　elseif key==2</p><p>　　Kp=0.9/a;Ti=3.33*L; %判斷設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yùn)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(duì)系統(tǒng)的PID控制，我們可在動(dòng)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(diǎn)擊開(kāi)始仿真按鈕, 雙擊SCOPE圖標(biāo), 即得到階躍響應(yīng)曲線(xiàn)( 如圖5所示) 。其中, 圖5-1為未接入PID 的階躍響應(yīng)曲線(xiàn), 圖5-2為接入PID 的閉環(huán)響應(yīng)

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

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

26、;　　L=0.315, T=2.25, K=0.999</p><p>　?、布尤隤ID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(shí)間約為5s，上升時(shí)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(shí)間約為3s，上升時(shí)間約為2.1s</p><p>　　⑶Kp=10.000,Ti=0.3333,Td=1.5750</p><p>　　超調(diào)量約為4%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為2.5s,上升時(shí)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(dǎo)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(yīng)速度, 但其對(duì)高頻干擾特別敏感, 甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)值使機(jī)器臂方位定位更精準(zhǔn)。</p><p><b>　　7．參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　?、僮詣?dòng)控制原理 胡壽松著</p><p>　?、贛ATLAB輔助分析與設(shè)計(jì)軟件</p><p><b>

29、;　?、跴ID控制器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　8．實(shí)習(xí)心得：</b></p><p>　　雖然僅是短短的一周時(shí)間，但在期間我受益匪淺，對(duì)MATLAB軟件的運(yùn)用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與運(yùn)用，并且了解到PID控制系統(tǒng)的重要性。通過(guò)老師的講解及自己課后學(xué)習(xí)在自控仿真方面有了進(jìn)一步的提高，對(duì)自控系統(tǒng)有了更深的學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化使系統(tǒng)改善。<