機器人和視覺系統(tǒng)的PID控制器設計

1、機器人和視覺系統(tǒng)的PID控制器設計摘要PID控制是最早發(fā)展起來的經典控制策略, 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學模型,只需在線根據系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡單參數, 經過經驗進行調節(jié)器參數在線整定, 即可取得滿意的結果, 具有很大的適應性和靈活性。機器視覺系統(tǒng)是指用計算機來實現人的視覺功能，也就是用計算機來實現對客觀的三維世界的識別。按現在的理解，人類視覺系統(tǒng)的感受部分是視網膜，它是一個三維采樣系統(tǒng)。三維物體的可見部分投影到網膜上，人們按照投影到視網膜上的二維的像來對該物體

2、進行三維理解。本文使用PID控制器對機器視覺系統(tǒng)進行調節(jié)，使其優(yōu)化，并使用MATLAB對系統(tǒng)進行建模仿真。關鍵字：PID控制器 機器視覺系統(tǒng)MATLABAbstractClassical control strategy of PID control was first developed, 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 b

3、een widely used in industrial control applications. Its greatest 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 parameters line

4、setting, you can achieve satisfactory results, with a great deal of adaptability and flexibility. Machine vision systems are systems that usecomputers to achievement of human visual function, which use computers to achieve of the objective recognition of three dimensional world. According to present

5、 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 dimensional projected onto the retina as the object to be three dimensional understan

6、ding of.This article uses adjusted PID controller for machine vision systems, optimization, and modeling and simulation of systems using MATLAB.Keywords:PID controller , Machine vision system, MATLAB 已知機器人系統(tǒng)為單位反饋系統(tǒng)，被控對象為機器臂，其傳遞函數為：使用MATLAB對對象進行分析：1.開環(huán)傳遞函數的零極點分布圖及其根軌跡圖如下：程序為：num=1;den=0.5,1.5,1;G=tf(

7、num,den); figure(1) pzmap(G); figure(2) rlocus(G);圖1 零極點分布圖圖2 根軌跡圖2對其繪制階躍響應曲線，程序如下：num=1;den=0.5,1.5,1;G=tf(num,den);step(G)圖3-1階躍響應曲線圖3-2 階躍響應曲線及K,T,L對應值從圖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=0.9993已知被控對象的K、L 和T 值后, 我們可以根據ZieglerNichols整定公式編寫一 個MATLAB函數ziegler_std ( )用以設計PID控制器。該函數程序如下

8、：function num,den,Kp,Ti,Td,H=Ziegler_std (key,vars)Ti= ;Td= ;H= ;K=vars(1) ;L=vars(2) ;T=vars (3);a=K*L/T;if key=1 num=1/a; %判斷設計P 控制器 elseif key=2 Kp=0.9/a;Ti=3.33*L; %判斷設計PI 控制器 elseif key=3, Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2; %判斷設計PID控制器end switch key case 1num=Kp;den=1; % P控制器 case 2num=Kp*Ti,1;den=Ti,0; %

9、 PI控制器 case 3 % PID控制器p0=Ti*Td,0,0;p1=0,Ti,1;p2=0,0,1;p3=p0+p1+p2;p4=Kp*p3;num=p4/Ti;den=1,0;end故PID控制器的參數，可以由函數Ziegler_std ( ) 得到。在Matlab命令窗口輸入>> K=0.999;L=0.315;T=2.25;num,den,Kp,Ti,Td=Ziegler_std (3,K,L,T)運行結果如下:num = 1.3514 8.5800 27.2381den = 1 0Kp = 8.5800Ti = 0.6300Td =0.15754為完成對系統(tǒng)的PID

10、控制，我們可在動態(tài)仿真集成環(huán)境 Simulink下構造系統(tǒng)模型( 如圖4所示，圖4-1為未加PID控制系統(tǒng)仿真，圖4-2為加入PID控制系統(tǒng)仿真) 。圖4-1 未加PID控制系統(tǒng)仿真圖4-2 加入PID控制系統(tǒng)仿真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)響應曲線。圖5-1未接入PID 的階躍響應曲線圖5-2接入PID 的閉環(huán)響應曲線由上圖可得超調量約為20.12%，調節(jié)時間約為5s，上升時間約為1.8s。更改參數使系統(tǒng)優(yōu)化，當Kp=8.5800,Ti

11、=0.3333,Td=1.5750時由上圖可知超調量約為3%，調節(jié)時間約為3s，上升時間約為2.1s。當Kp=10.000,Ti=0.3333,Td=1.5750時由上圖可知超調量約為4%，調節(jié)時間約為2.5s,上升時間約為1.9s。6結論：未加PID時的系統(tǒng)分析為：L=0.315, T=2.25, K=0.999加入PID后的系統(tǒng)分析為：Kp =8.5800Ti =0.6300Td =0.1575超調量約為20.12%，調節(jié)時間約為5s，上升時間約為1.8sKp=8.5800,Ti=0.3333,Td=1.5750超調量約為3%，調節(jié)時間約為3s，上升時間約為2.1sKp=10.000,Ti=0.3333,Td=1.5750超調量約為4%，調節(jié)時間約為2.5s,上升時間約為1.9sPID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, 使系統(tǒng)的超調量增大。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)。通過調節(jié)參數值使機器臂方位定位更精準。7參考文獻：自動控制原理 胡壽松著MATLAB輔助分析與設計軟件PID控制器