【摘 要】
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机器人关节系统是控制机器人运动的基本单元,机器人通过控制多个关节协同运动,驱使机器人像人的手臂那样地灵活动作,因此机器人关节伺服系统的优劣直接关系到机器人工作性能。PID控制具有结构简单、控制参数少、参数整定方便的优点,常作为传统关节伺服控制器。机器人关节是一种非线性系统,容易受到未知负载、关节电机内部参数变化、外界复杂干扰等问题影响,PID控制抗干扰能力较差,难以进行高效控制,已逐渐不能满足现代
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机器人关节系统是控制机器人运动的基本单元,机器人通过控制多个关节协同运动,驱使机器人像人的手臂那样地灵活动作,因此机器人关节伺服系统的优劣直接关系到机器人工作性能。PID控制具有结构简单、控制参数少、参数整定方便的优点,常作为传统关节伺服控制器。机器人关节是一种非线性系统,容易受到未知负载、关节电机内部参数变化、外界复杂干扰等问题影响,PID控制抗干扰能力较差,难以进行高效控制,已逐渐不能满足现代工业机器人控制的需要。为此,本文采用具有强抗干扰能力的自抗扰控制代替传统PID控制进行机器人关节伺服控制器设计,并且对关节系统进行惯量辨识,将获取的准确惯量值补偿给控制器,尽可能提高关节控制系统的抗扰能力,主要研究内容如下。1、本文详细介绍了机器人关节系统的主要构成,对其关键控制单元,无框力矩电机进行了数学建模,建立三相旋转坐标系下的关节力矩电机的数学模型,并进行了坐标变换、矢量控制、空间电压矢量调制等关键技术的分析研究。2、为了提高关节模组伺服控制系统的抗扰动能力,本文设计了非线性自抗扰控制器代替传统的PID控制。自抗扰控制器包含状态观测器,可以提前观测系统内外扰动,并通过前馈环节进行补偿,具有很强的抗扰能力。此外,自抗扰控制器可根据被控对象的阶数灵活设计,可以对两个及以上对象进行复合控制,而对于非线性自抗扰控制器中参数整定困难的问题,文章对各个参数的整定进行了详细说明,使其具有更强的实用性。为了验证本文设计的控制策略,建立了关节伺服控制系统的仿真模型,通过仿真实验证明了,该控制策略相较于传统PID伺服控制方式,在抗干扰能力、响应速度、稳定性等方面表现更出色。3、考虑到机器人在搬运过程中负载状态的不同,导致关节系统的转动惯量也时刻发生着变化。为了避免惯量剧烈变化对控制器性能的影响,本文对关节系统的转动惯量采用朗道离散递推辨识算法进行在线辨识,并将辨识的准确惯量补偿给控制器,使得自抗扰控制器中与惯量相关的参数能根据惯量变化自动进行调整,使得系统的抗扰能力得到进一步提高。通过搭建关节模组实验平台,在关节模组速度环控制模式下,验证本文设计的控制器性能,分别验证了传统的PI控制器性能、非线性自抗扰控制器性能、关节电机的惯量辨识、惯量补偿后的自抗扰控制器性能,由实验结果得出自抗扰控制相比于PI控制对负载扰动的响应更快,并且惯量补偿后控制性能得到了提升。
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