專利名稱：采用pid控制器的控制方法及控制裝置與機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制方法及控制裝置以及具有該控制裝置的機器人，特別是涉及 一種采用PID控制器的控制方法及控制裝置以及具有該控制裝置的機器人。
背景技術(shù)：
在自動控制系統(tǒng)中，當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全被掌握，或難以得到精確 的數(shù)學(xué)模型時，一些傳統(tǒng)的控制理論難以采用。PID(比例、微分、積分)控制器因其不依賴 于受控對象的數(shù)學(xué)模型，其控制參數(shù)，如比例增益(Kp)、積分時間常數(shù)(Ti)及微分時間常 數(shù)(Td)可通過實驗、試湊或經(jīng)驗公式來確定，從而得到較為廣泛的應(yīng)用。PID控制器是一 種線性控制器，這種控制器是將系統(tǒng)設(shè)定值與實際輸出值構(gòu)成的偏差的比例、積分及微分 通過線性組合構(gòu)成控制量。在實際應(yīng)用中，根據(jù)被控對象的特性可取其中一部分形成比例 (P)調(diào)節(jié)器、比例積分(PI)調(diào)節(jié)器、比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器等。然而，PID控制器的各控制參數(shù)(Kp、Ti、Td)的設(shè)定通常是根據(jù)從熟練的工程師的 經(jīng)驗所獲得的“經(jīng)驗法則”來完成。以應(yīng)用在機器人中對機械臂位置進(jìn)行控制的PID控制 器的比例調(diào)節(jié)器為例，比例調(diào)節(jié)器的作用強弱取決于比例增益Kp的大小，增大Kp可以減小 穩(wěn)態(tài)誤差，但Kp過大又會引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，而減小Kp系統(tǒng)響應(yīng)速度 將變慢。為同時滿足系統(tǒng)響應(yīng)速度與穩(wěn)定性的要求，確定一個較佳的Kp，工程師往往需要憑 借經(jīng)驗或通過用手來感覺機械臂的振動以對Kp進(jìn)行反復(fù)試調(diào)，直至滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的 要求，而這種做法需耗費較長時間而且對工程師的技能要求較高。此外，每當(dāng)一個過程開始 啟動時的初始條件改變或者系統(tǒng)引入新的干擾，還需要重新調(diào)節(jié)上述各控制參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述內(nèi)容，有必要提供一種可較為方便地將PID控制器的控制參數(shù)調(diào)節(jié)到較 佳值以使其滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)要求的控制方法及控制裝置以及具有該控制裝置的機器人。一種采用PID控制器的控制方法，其包括以下步驟位移感測單元感測被控對象 的位移信息以獲取實際位移值；振動感測單元感測被控對象的振動信息；以及調(diào)節(jié)單元根 據(jù)該實際位移值與通過PID控制器設(shè)定的被控對象的預(yù)設(shè)位移值的差量、該振動信息及預(yù) 先設(shè)定的該控制裝置的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)PID控制器的控制參數(shù)。一種采用PID控制器的控制裝置，其包括PID控制器、位移感測單元、振動感測單 元及調(diào)節(jié)單元。位移感測單元用于獲取被控對象的位移信息并將該位移信息反饋至PID控 制器。PID控制器輸出控制信號控制該被控對象。振動感測單元用于獲取被控對象的振動 信息。調(diào)節(jié)單元根據(jù)該位移信息所對應(yīng)的實際位移值與通過PID控制器設(shè)定的被控對象的 預(yù)設(shè)位移值的差量、該振動信息以及該控制裝置的預(yù)先設(shè)定的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)PID控制器的 控制參數(shù)?！N機器人，其包括機械臂、驅(qū)動該機械臂的步進(jìn)電機、控制該步進(jìn)電機的步進(jìn)電 機驅(qū)動器及上述控制裝置。上述控制裝置的PID控制器設(shè)于步進(jìn)電機驅(qū)動器內(nèi)。位移感測單元用于感測該機械臂的位移以獲取機械臂的實際位移值，振動感測單元設(shè)置于機械臂上 用于感測機械臂的振動以獲取振動信息。調(diào)節(jié)單元根據(jù)該實際位移值與該PID控制器設(shè)定 的機械臂的預(yù)設(shè)位移值的差量、該振動信息以及該控制裝置預(yù)先設(shè)定的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)PID 控制器的控制參數(shù)，該PID控制器輸出控制信號以控制該步進(jìn)電機。上述采用PID控制器的控制裝置及控制方法通過振動感測單元獲取反映系統(tǒng)穩(wěn) 定性的振動信息，通過位移感測單元獲取反映系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的位移信息，調(diào)節(jié)單元再結(jié)合 該振動信息及位移信息，并根據(jù)控制裝置的性能要求對PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 上述方法可較為方便地實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，并易于將控制參數(shù)調(diào)節(jié)至較佳值。應(yīng)用上述控制方 法，控制裝置可以根據(jù)實時的響應(yīng)對PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不依賴于工程師的 主觀判斷，易于得到較佳的參數(shù)且可提高調(diào)節(jié)的效率。具有上述控制裝置的機器人，其機械 臂可具有較高的控制精度。


圖1是具有本發(fā)明采用PID控制器的控制裝置的機器人。圖2是本發(fā)明采用PID控制器的控制裝置實施例的原理圖。圖3是本發(fā)明采用PID控制器的控制裝置實施例的結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本發(fā)明采用PID控制器的控制方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的采用PID控制器的控制方法及控制裝置以及 具有該控制裝置的機器人作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實施例以應(yīng)用于工業(yè)機器人的采用PID 控制器的控制方法及控制裝置為例進(jìn)行說明。圖1所示為一種機器人100，在本實施例中，該機器人100為六軸工業(yè)機器人，其包 括基座11、可轉(zhuǎn)動地設(shè)置于基座11的機架12、可轉(zhuǎn)動地設(shè)置于機架12的第一機械臂13、與 第一機械臂13轉(zhuǎn)動連接的連接部16、與連接部16轉(zhuǎn)動連接的第二機械臂14及與第二機械 臂14轉(zhuǎn)動連接的第三機械臂15?；?1用于將機器人100安裝至地板或支承臺上，機架12可繞第一旋轉(zhuǎn)軸a旋 轉(zhuǎn)，第一機械臂13、第二機械臂14及第三機械臂15可分別繞旋轉(zhuǎn)軸b、d、e旋轉(zhuǎn)。機器人 100還包括c、f所表示的其他兩軸，其中第六軸f上可安裝夾具、刀具或者探測儀器等執(zhí)行 裝置進(jìn)行工作。機器人100的每一旋轉(zhuǎn)軸的末端均設(shè)置有步進(jìn)電機，步進(jìn)電機的輸出軸與機械臂 相連以帶動機械臂轉(zhuǎn)動，圖1中僅標(biāo)示出安裝于旋轉(zhuǎn)軸e用于驅(qū)動第三機械臂15的步進(jìn)電 機21。圖2示出應(yīng)用于圖1所示機器人100的本發(fā)明控制裝置200的原理圖(圖中僅以 第三機械臂15的控制為例)。該控制裝置200包括步進(jìn)電機驅(qū)動器22、位移感測單元23、 振動感測單元24、運動控制卡25及主機26。步進(jìn)電機驅(qū)動器22用于將運動控制卡25發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機21的 角位移信號以使機器人100的各機械臂運動至預(yù)設(shè)的位置。步進(jìn)電機驅(qū)動器22包括設(shè)于 其中的PID控制器223，該PID控制器223包括由位置控制模塊2231、速度控制模塊2232以及電流控制模塊2235依次連接組成的由位置環(huán)、速度環(huán)及電流環(huán)構(gòu)成的三環(huán)控制電路。 其中PID控制器223的各控制參數(shù)(Kp、Ti、Td)可進(jìn)行設(shè)定。位移感測單元23用于獲取第三機械臂15的實際位移值(轉(zhuǎn)動的角度)，其信號輸 出端與主機26相連。本實施例所采用的位移感測單元23為光電編碼器，其安裝于步進(jìn)電 機21的輸出軸上并與步進(jìn)電機21的輸出軸同步轉(zhuǎn)動，從而可獲得第三機械臂15的同步轉(zhuǎn)
動信息。振動感測單元24用于感測第三機械臂15的振動，其信號輸出端與主機26相連。 本實施例所采用的振動感測單元24為三軸加速度傳感器，其安裝于第三機械臂15上，用于 對第三機械臂15在空間坐標(biāo)的三軸方向的振動進(jìn)行感測，其輸出信號包括第三機械臂15 在三軸方向的振幅和振動頻率信息。運動控制卡25用于給步進(jìn)電機驅(qū)動器22發(fā)出控制信號以驅(qū)動步進(jìn)電機21。運動 控制卡25可以產(chǎn)生脈沖和方向信號等，并可進(jìn)行自動升降速、原點和限位信號的感測。一 個運動控制卡25可單獨控制一個或同時控制多個步進(jìn)電機驅(qū)動器22，本實施例中采用可 同時對六軸工業(yè)機器人100的六個步進(jìn)電機驅(qū)動器進(jìn)行控制的六軸運動控制卡25。主機26包括調(diào)節(jié)單元261及人機交互單元262。調(diào)節(jié)單元261獲取位移感測單 元23和振動感測單元24的感測信息，并將通過PID控制器設(shè)定的第三機械臂15的預(yù)設(shè)位 移值與位移感測單元23獲取的實際位移值求差量，得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)位置誤差，并結(jié)合控制裝 置200所要求達(dá)到的動態(tài)性能指標(biāo)調(diào)節(jié)出較佳的PID控制器223的控制參數(shù)(Kp、Ti、Td)， 并將上述較佳的控制參數(shù)傳送給PID控制器223，以使該控制裝置200達(dá)到較佳的控制性 能。本實施例中，上述較佳的控制參數(shù)通過串口傳送，上述較佳的動態(tài)性能指標(biāo)指兼顧系統(tǒng) 的穩(wěn)定性與快速性。人機交互單元262主要通過圖像顯示出控制裝置200的動態(tài)響應(yīng)，如 時域響應(yīng)圖，并提供對控制裝置200的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定的交互窗口。以下介紹上述較佳控制參數(shù)調(diào)節(jié)的具體方法，并以對機器人100的第三機械臂15 的PID控制器的Kp參數(shù)調(diào)節(jié)為例進(jìn)行說明，其中，步進(jìn)電機驅(qū)動器22設(shè)置為半自動模式， 且僅有Kp可進(jìn)行動態(tài)設(shè)定。圖3所示為本發(fā)明實施例的控制裝置200的結(jié)構(gòu)框圖。PID控制器223支持位置 控制、速度控制和電流控制，其輸出信號用于控制與之相連的步進(jìn)電機21，其輸入信號為運 動控制卡25的脈沖和方向信號。主機26的調(diào)節(jié)單元261根據(jù)位移感測單元23獲取的實際位移值以及振動感測單 元24獲取的振動信息對位置控制模塊2231的控制參數(shù)Kp進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使控制裝置200具 有較佳的穩(wěn)定性與較快的響應(yīng)速度，達(dá)到所要求的動態(tài)性能指標(biāo)。位置控制模塊2231對步進(jìn)電機21的實際位移值與通過PID控制器設(shè)定的預(yù)設(shè)位 移值的差量即時反應(yīng)，使位移值朝著減小偏差的方向變化，控制的強弱取決于Kp的大小。 增大Kp可增加系統(tǒng)的開環(huán)增益，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，還能夠增加系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，但容易 降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，造成振蕩變多。減小Kp值，系統(tǒng)響應(yīng)將變慢，但穩(wěn)定性將提高。較佳的Kp 應(yīng)同時滿足系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性的要求。本發(fā)明實施例的采用PID控制器的控制方法可半自動地對PID控制器223的Kp 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。請參見圖4，該控制方法包括以下步驟步驟S31 設(shè)定參數(shù)調(diào)節(jié)模式。本實施例中，設(shè)定PID控制器223參數(shù)調(diào)節(jié)模式為半自動模式，在該半自動模式下僅PID控制器223的位置控制模塊2231的Kp可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。步驟S32 設(shè)定被控對象的負(fù)載。本實施例中，設(shè)定六軸工業(yè)機器人100的負(fù)載，以確定參數(shù)設(shè)定的初始條件以及外部的擾動。步驟S34 感測被控對象的位移信息。通過位移感測單元23感測第三機械臂15的 位移信息以獲取第三機械臂15的實際位移值。步驟S35 感測被控對象的振動信息。通過振動感測裝置25感測第三機械臂15的 振動信息，該振動信息包括振幅和頻率信息。步驟S36 調(diào)節(jié)單元261根據(jù)位移感測單元23獲取的位移信息所對應(yīng)的機械臂15 的實際位移值與通過PID控制器223設(shè)定的預(yù)設(shè)位移值的差量、振動感測單元24獲取的振 動信息以及控制裝置200的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Kp值。具體在步驟S36中，可首先設(shè)定PID控制器223的控制參數(shù)Kp的取值范圍，在該 取值范圍內(nèi)，將Kp從較小值逐漸調(diào)節(jié)至較大值，調(diào)節(jié)過程中，如振動感測單元24獲取的振 動信號較強，即振幅較大或頻率較高，調(diào)節(jié)單元261自動將Kp調(diào)小，如振動信號較弱，調(diào)節(jié) 單元261自動將可Kp調(diào)大，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，直至振動信號以及響應(yīng)速度均落在設(shè) 定的取值范圍之內(nèi)，從而同時滿足系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性的要求時，記錄該Kp值，并通過串 口設(shè)定PID控制器的Kp值。作為較佳的一種方法，調(diào)整時可同時結(jié)合觀察控制裝置200的 時域響應(yīng)圖(主機26的人機交互單元262 —般可顯示該時域響應(yīng)圖)，從而可較為直觀地 觀察到參數(shù)調(diào)整之后系統(tǒng)的響應(yīng)情況，并據(jù)此對Kp值進(jìn)行調(diào)整。步驟S37 改變機器人100的負(fù)載，即改變其初始條件及外部擾動，重復(fù)步驟S32 至步驟S36，得到在該負(fù)載下較佳的Kp值并保存該Kp值。重復(fù)步驟S37，即可得到不同的負(fù)載下，與每一個負(fù)載相對應(yīng)的較佳的Kp值。作為 較佳的一種方案，該控制方法還可以包括建立上述負(fù)載及與之對應(yīng)的Kp值知識庫的步驟 S38，并可將該知識庫存儲于主機26中。當(dāng)需要對其他的機器人100的PID控制器的Kp值 進(jìn)行設(shè)定時，可利用上述建立的知識庫，通過對負(fù)載、振動值及穩(wěn)態(tài)誤差值(響應(yīng)速度)的 匹配直接選擇出較佳的Kp值，從而可以減少調(diào)節(jié)的時間，該匹配的方式還可進(jìn)一步通過模 糊邏輯來實現(xiàn)。以上僅給出機器人100第三軸e上的步進(jìn)電機驅(qū)動器223的位置控制模塊2231 的Kp的調(diào)節(jié)方法，對于機器人100其他各旋轉(zhuǎn)軸上的步進(jìn)電機驅(qū)動器的PID控制參數(shù)可采 用相同的方法依次進(jìn)行設(shè)定。上述控制方法通過振動感測單元24獲取振動信號，并結(jié)合該振動信號與位移感 測單元23獲取的位移信息，可半自動地調(diào)節(jié)步進(jìn)電機驅(qū)動器223的位置控制模塊2231的 Kp參數(shù)。需說明的是，以上實施方式僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實施方式對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的 技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種采用PID控制器的控制方法，其包括以下步驟位移感測單元感測被控對象的位移信息以獲取實際位移值；振動感測單元感測被控對象的振動信息；以及調(diào)節(jié)單元根據(jù)該實際位移值與通過PID控制器設(shè)定的被控對象的預(yù)設(shè)位移值的差量、該振動信息及預(yù)先設(shè)定的該控制裝置的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)PID控制器的控制參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的采用PID控制器的控制方法，其特征在于該調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)該 PID控制器的比例增益，且調(diào)節(jié)時設(shè)定比例增益的取值范圍，在該取值范圍內(nèi)，將比例增益 從較小值逐漸調(diào)節(jié)至較大值，當(dāng)振動感測單元獲取的振動信號大于設(shè)定值，調(diào)節(jié)單元減小 比例增益，當(dāng)振動感測單元獲取的振動信號小于設(shè)定值，調(diào)節(jié)單元增大比例增益。
3.如權(quán)利要求1所述的采用PID控制器的控制方法，其特征在于該控制方法還包括步驟設(shè)定被控對象的負(fù)載；以及該調(diào)節(jié)單元根據(jù)該實際位移值與通過該PID控制器設(shè)定的被控對象的預(yù)設(shè)位移值的 差量、該振動信息及預(yù)先設(shè)定的該控制裝置的性能指標(biāo)對該負(fù)載下PID控制器的控制參數(shù) 進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4.如權(quán)利要求1所述的采用PID控制器的控制方法，其特征在于該控制方法還包括 步驟設(shè)定不同的負(fù)載，并根據(jù)與每一負(fù)載相對應(yīng)的PID控制器的控制參數(shù)建立知識庫。
5.一種采用PID控制器的控制裝置，包括PID控制器及位移感測單元，該位移感測單元 用于獲取被控對象的位移信息并將該位移信息反饋至PID控制器，所述PID控制器輸出控 制信號控制被控對象，其特征在于該控制裝置還包括振動感測單元及調(diào)節(jié)單元，該振動感 測單元用于獲取被控對象的振動信息，該調(diào)節(jié)單元根據(jù)該位移信息所對應(yīng)的實際位移值與 通過該PID控制器設(shè)定的被控對象的預(yù)設(shè)位移值的差量、該振動信息以及該控制裝置預(yù)先 設(shè)定的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)PID控制器器的控制參數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的采用PID控制器的控制裝置，其特征在于該PID控制器包括 依次連接的位置控制模塊、速度控制模塊及電流控制模塊，該調(diào)節(jié)單元用于調(diào)節(jié)該位置控 制模塊的比例增益。
7.如權(quán)利要求5所述的采用PID控制器的控制裝置，其特征在于該位移感測單元為一光電編碼器。
8.如權(quán)利要求5所述的采用PID控制器的控制裝置，其特征在于該振動感測單元為 一加速度傳感器，其用于獲取被控對象在空間坐標(biāo)的三軸方向的振動信息。
9.如權(quán)利要求8所述的采用PID控制器的控制裝置，其特征在于該振動信息包括振 幅和振動頻率信息。
10.一種機器人，其包括機械臂、驅(qū)動該機械臂的步進(jìn)電機以及控制該步進(jìn)電機的步進(jìn) 電機驅(qū)動器，其特征在于該機器人還包括權(quán)利要求5至9任一項所述的控制裝置，該PID 控制器設(shè)于該步進(jìn)電機驅(qū)動器內(nèi)，該位移感測單元用于感測該機械臂的位移以獲取機械臂 的實際位移值，該振動感測單元設(shè)置于該機械臂上用于感測該機械臂的振動以獲取振動信 息，該調(diào)節(jié)單元根據(jù)該實際位移值與通過該PID控制器設(shè)定的機械臂的預(yù)設(shè)位移值的差 量、該振動信息以及該控制裝置的預(yù)先設(shè)定的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)PID控制器的控制參數(shù)，該PID 控制器輸出控制信號以控制該步進(jìn)電機。
全文摘要
一種采用PID控制器的控制方法，其包括以下步驟位移感測單元感測被控對象的位移信息以獲取實際位移值；振動感測單元感測被控對象的振動信息；以及調(diào)節(jié)單元根據(jù)該實際位移值與通過PID控制器設(shè)定的被控對象的預(yù)設(shè)位移值的差量、該振動信息及預(yù)先設(shè)定的該控制裝置的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)PID控制器的控制參數(shù)。上述控制方法中，調(diào)節(jié)單元結(jié)合被控對象的振動信息、位移信息以及控制裝置所需要達(dá)到的性能指標(biāo)對PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)較為方便且易于調(diào)節(jié)至較佳的控制參數(shù)。本發(fā)明還提供應(yīng)用上述控制方法的控制裝置與具有該控制裝置的機器人。
文檔編號G05B11/36GK101859096SQ20091030147
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者朱燕春, 許元澤 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司