CN101859096A - 采用pid控制器的控制方法及控制装置与机器人 - Google Patents

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Abstract

一种采用PID控制器的控制方法，其包括以下步骤：位移感测单元感测被控对象的位移信息以获取实际位移值；振动感测单元感测被控对象的振动信息；以及调节单元根据该实际位移值与通过PID控制器设定的被控对象的预设位移值的差量、该振动信息及预先设定的该控制装置的性能指标调节PID控制器的控制参数。上述控制方法中，调节单元结合被控对象的振动信息、位移信息以及控制装置所需要达到的性能指标对PID控制器的控制参数进行动态调节，调节较为方便且易于调节至较佳的控制参数。本发明还提供应用上述控制方法的控制装置与具有该控制装置的机器人。

Description

采用PID控制器的控制方法及控制装置与机器人
技术领域
本发明涉及一种控制方法及控制装置以及具有该控制装置的机器人，特别是涉及一种采用PID控制器的控制方法及控制装置以及具有该控制装置的机器人。
背景技术
在自动控制系统中，当被控对象的结构和参数不能完全被掌握，或难以得到精确的数学模型时，一些传统的控制理论难以采用。PID(比例、微分、积分)控制器因其不依赖于受控对象的数学模型，其控制参数，如比例增益(Kp)、积分时间常数(Ti)及微分时间常数(Td)可通过实验、试凑或经验公式来确定，从而得到较为广泛的应用。PID控制器是一种线性控制器，这种控制器是将系统设定值与实际输出值构成的偏差的比例、积分及微分通过线性组合构成控制量。在实际应用中，根据被控对象的特性可取其中一部分形成比例(P)调节器、比例积分(PI)调节器、比例积分微分(PID)调节器等。
然而，PID控制器的各控制参数(Kp、Ti、Td)的设定通常是根据从熟练的工程师的经验所获得的“经验法则”来完成。以应用在机器人中对机械臂位置进行控制的PID控制器的比例调节器为例，比例调节器的作用强弱取决于比例增益Kp的大小，增大Kp可以减小稳态误差，但Kp过大又会引起被控量振荡，甚至导致系统不稳定，而减小Kp系统响应速度将变慢。为同时满足系统响应速度与稳定性的要求，确定一个较佳的Kp，工程师往往需要凭借经验或通过用手来感觉机械臂的振动以对Kp进行反复试调，直至满足系统性能指标的要求，而这种做法需耗费较长时间而且对工程师的技能要求较高。此外，每当一个过程开始启动时的初始条件改变或者系统引入新的干扰，还需要重新调节上述各控制参数。
发明内容
鉴于上述内容，有必要提供一种可较为方便地将PID控制器的控制参数调节到较佳值以使其满足系统性能指标要求的控制方法及控制装置以及具有该控制装置的机器人。
一种采用PID控制器的控制方法，其包括以下步骤：位移感测单元感测被控对象的位移信息以获取实际位移值；振动感测单元感测被控对象的振动信息；以及调节单元根据该实际位移值与通过PID控制器设定的被控对象的预设位移值的差量、该振动信息及预先设定的该控制装置的性能指标调节PID控制器的控制参数。
一种采用PID控制器的控制装置，其包括PID控制器、位移感测单元、振动感测单元及调节单元。位移感测单元用于获取被控对象的位移信息并将该位移信息反馈至PID控制器。PID控制器输出控制信号控制该被控对象。振动感测单元用于获取被控对象的振动信息。调节单元根据该位移信息所对应的实际位移值与通过PID控制器设定的被控对象的预设位移值的差量、该振动信息以及该控制装置的预先设定的性能指标调节PID控制器的控制参数。
一种机器人，其包括机械臂、驱动该机械臂的步进电机、控制该步进电机的步进电机驱动器及上述控制装置。上述控制装置的PID控制器设于步进电机驱动器内。位移感测单元用于感测该机械臂的位移以获取机械臂的实际位移值，振动感测单元设置于机械臂上用于感测机械臂的振动以获取振动信息。调节单元根据该实际位移值与该PID控制器设定的机械臂的预设位移值的差量、该振动信息以及该控制装置预先设定的性能指标调节PID控制器的控制参数，该PID控制器输出控制信号以控制该步进电机。
上述采用PID控制器的控制装置及控制方法通过振动感测单元获取反映系统稳定性的振动信息，通过位移感测单元获取反映系统稳态误差的位移信息，调节单元再结合该振动信息及位移信息，并根据控制装置的性能要求对PID控制器的控制参数进行调节，上述方法可较为方便地实现动态调节，并易于将控制参数调节至较佳值。应用上述控制方法，控制装置可以根据实时的响应对PID控制器的控制参数进行调节，不依赖于工程师的主观判断，易于得到较佳的参数且可提高调节的效率。具有上述控制装置的机器人，其机械臂可具有较高的控制精度。
附图说明
图1是具有本发明采用PID控制器的控制装置的机器人。
图2是本发明采用PID控制器的控制装置实施例的原理图。
图3是本发明采用PID控制器的控制装置实施例的结构框图。
图4是本发明采用PID控制器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的采用PID控制器的控制方法及控制装置以及具有该控制装置的机器人作进一步的详细说明。本实施例以应用于工业机器人的采用PID控制器的控制方法及控制装置为例进行说明。
图1所示为一种机器人100，在本实施例中，该机器人100为六轴工业机器人，其包括基座11、可转动地设置于基座11的机架12、可转动地设置于机架12的第一机械臂13、与第一机械臂13转动连接的连接部16、与连接部16转动连接的第二机械臂14及与第二机械臂14转动连接的第三机械臂15。
基座11用于将机器人100安装至地板或支承台上，机架12可绕第一旋转轴a旋转，第一机械臂13、第二机械臂14及第三机械臂15可分别绕旋转轴b、d、e旋转。机器人100还包括c、f所表示的其他两轴，其中第六轴f上可安装夹具、刀具或者探测仪器等执行装置进行工作。
机器人100的每一旋转轴的末端均设置有步进电机，步进电机的输出轴与机械臂相连以带动机械臂转动，图1中仅标示出安装于旋转轴e用于驱动第三机械臂15的步进电机21。
图2示出应用于图1所示机器人100的本发明控制装置200的原理图(图中仅以第三机械臂15的控制为例)。该控制装置200包括步进电机驱动器22、位移感测单元23、振动感测单元24、运动控制卡25及主机26。
步进电机驱动器22用于将运动控制卡25发出的脉冲信号转化为步进电机21的角位移信号以使机器人100的各机械臂运动至预设的位置。步进电机驱动器22包括设于其中的PID控制器223，该PID控制器223包括由位置控制模块2231、速度控制模块2232以及电流控制模块2235依次连接组成的由位置环、速度环及电流环构成的三环控制电路。其中PID控制器223的各控制参数(Kp、Ti、Td)可进行设定。
位移感测单元23用于获取第三机械臂15的实际位移值(转动的角度)，其信号输出端与主机26相连。本实施例所采用的位移感测单元23为光电编码器，其安装于步进电机21的输出轴上并与步进电机21的输出轴同步转动，从而可获得第三机械臂15的同步转动信息。
振动感测单元24用于感测第三机械臂15的振动，其信号输出端与主机26相连。本实施例所采用的振动感测单元24为三轴加速度传感器，其安装于第三机械臂15上，用于对第三机械臂15在空间坐标的三轴方向的振动进行感测，其输出信号包括第三机械臂15在三轴方向的振幅和振动频率信息。
运动控制卡25用于给步进电机驱动器22发出控制信号以驱动步进电机21。运动控制卡25可以产生脉冲和方向信号等，并可进行自动升降速、原点和限位信号的感测。一个运动控制卡25可单独控制一个或同时控制多个步进电机驱动器22，本实施例中采用可同时对六轴工业机器人100的六个步进电机驱动器进行控制的六轴运动控制卡25。
主机26包括调节单元261及人机交互单元262。调节单元261获取位移感测单元23和振动感测单元24的感测信息，并将通过PID控制器设定的第三机械臂15的预设位移值与位移感测单元23获取的实际位移值求差量，得到系统稳态位置误差，并结合控制装置200所要求达到的动态性能指标调节出较佳的PID控制器223的控制参数(Kp、Ti、Td)，并将上述较佳的控制参数传送给PID控制器223，以使该控制装置200达到较佳的控制性能。本实施例中，上述较佳的控制参数通过串口传送，上述较佳的动态性能指标指兼顾系统的稳定性与快速性。人机交互单元262主要通过图像显示出控制装置200的动态响应，如时域响应图，并提供对控制装置200的参数进行设定的交互窗口。
以下介绍上述较佳控制参数调节的具体方法，并以对机器人100的第三机械臂15的PID控制器的Kp参数调节为例进行说明，其中，步进电机驱动器22设置为半自动模式，且仅有Kp可进行动态设定。
图3所示为本发明实施例的控制装置200的结构框图。PID控制器223支持位置控制、速度控制和电流控制，其输出信号用于控制与之相连的步进电机21，其输入信号为运动控制卡25的脉冲和方向信号。
主机26的调节单元261根据位移感测单元23获取的实际位移值以及振动感测单元24获取的振动信息对位置控制模块2231的控制参数Kp进行调节，以使控制装置200具有较佳的稳定性与较快的响应速度，达到所要求的动态性能指标。
位置控制模块2231对步进电机21的实际位移值与通过PID控制器设定的预设位移值的差量即时反应，使位移值朝着减小偏差的方向变化，控制的强弱取决于Kp的大小。增大Kp可增加系统的开环增益，使稳态误差减小，还能够增加系统响应的快速性，但容易降低系统稳定性，造成振荡变多。减小Kp值，系统响应将变慢，但稳定性将提高。较佳的Kp应同时满足系统快速性与稳定性的要求。
本发明实施例的采用PID控制器的控制方法可半自动地对PID控制器223的Kp参数进行调整。请参见图4，该控制方法包括以下步骤：
步骤S31：设定参数调节模式。本实施例中，设定PID控制器223参数调节模式为半自动模式，在该半自动模式下仅PID控制器223的位置控制模块2231的Kp可以进行调节。
步骤S32：设定被控对象的负载。本实施例中，设定六轴工业机器人100的负载，以确定参数设定的初始条件以及外部的扰动。
步骤S34：感测被控对象的位移信息。通过位移感测单元23感测第三机械臂15的位移信息以获取第三机械臂15的实际位移值。
步骤S35：感测被控对象的振动信息。通过振动感测装置25感测第三机械臂15的振动信息，该振动信息包括振幅和频率信息。
步骤S36：调节单元261根据位移感测单元23获取的位移信息所对应的机械臂15的实际位移值与通过PID控制器223设定的预设位移值的差量、振动感测单元24获取的振动信息以及控制装置200的性能指标调节调节Kp值。
具体在步骤S36中，可首先设定PID控制器223的控制参数Kp的取值范围，在该取值范围内，将Kp从较小值逐渐调节至较大值，调节过程中，如振动感测单元24获取的振动信号较强，即振幅较大或频率较高，调节单元261自动将Kp调小，如振动信号较弱，调节单元261自动将可Kp调大，以加快系统的响应速度，直至振动信号以及响应速度均落在设定的取值范围之内，从而同时满足系统快速性与稳定性的要求时，记录该Kp值，并通过串口设定PID控制器的Kp值。作为较佳的一种方法，调整时可同时结合观察控制装置200的时域响应图(主机26的人机交互单元262一般可显示该时域响应图)，从而可较为直观地观察到参数调整之后系统的响应情况，并据此对Kp值进行调整。
步骤S37：改变机器人100的负载，即改变其初始条件及外部扰动，重复步骤S32至步骤S36，得到在该负载下较佳的Kp值并保存该Kp值。
重复步骤S37，即可得到不同的负载下，与每一个负载相对应的较佳的Kp值。作为较佳的一种方案，该控制方法还可以包括建立上述负载及与之对应的Kp值知识库的步骤S38，并可将该知识库存储于主机26中。当需要对其他的机器人100的PID控制器的Kp值进行设定时，可利用上述建立的知识库，通过对负载、振动值及稳态误差值(响应速度)的匹配直接选择出较佳的Kp值，从而可以减少调节的时间，该匹配的方式还可进一步通过模糊逻辑来实现。
以上仅给出机器人100第三轴e上的步进电机驱动器223的位置控制模块2231的Kp的调节方法，对于机器人100其他各旋转轴上的步进电机驱动器的PID控制参数可采用相同的方法依次进行设定。
上述控制方法通过振动感测单元24获取振动信号，并结合该振动信号与位移感测单元23获取的位移信息，可半自动地调节步进电机驱动器223的位置控制模块2231的Kp参数。
需说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种采用PID控制器的控制方法，其包括以下步骤：
位移感测单元感测被控对象的位移信息以获取实际位移值；
振动感测单元感测被控对象的振动信息；以及
调节单元根据该实际位移值与通过PID控制器设定的被控对象的预设位移值的差量、该振动信息及预先设定的该控制装置的性能指标调节PID控制器的控制参数。
2.如权利要求1所述的采用PID控制器的控制方法，其特征在于：该调节单元调节该PID控制器的比例增益，且调节时设定比例增益的取值范围，在该取值范围内，将比例增益从较小值逐渐调节至较大值，当振动感测单元获取的振动信号大于设定值，调节单元减小比例增益，当振动感测单元获取的振动信号小于设定值，调节单元增大比例增益。
3.如权利要求1所述的采用PID控制器的控制方法，其特征在于：该控制方法还包括步骤：
设定被控对象的负载；以及
该调节单元根据该实际位移值与通过该PID控制器设定的被控对象的预设位移值的差量、该振动信息及预先设定的该控制装置的性能指标对该负载下PID控制器的控制参数进行调节。
4.如权利要求1所述的采用PID控制器的控制方法，其特征在于：该控制方法还包括步骤：
设定不同的负载，并根据与每一负载相对应的PID控制器的控制参数建立知识库。
5.一种采用PID控制器的控制装置，包括PID控制器及位移感测单元，该位移感测单元用于获取被控对象的位移信息并将该位移信息反馈至PID控制器，所述PID控制器输出控制信号控制被控对象，其特征在于：该控制装置还包括振动感测单元及调节单元，该振动感测单元用于获取被控对象的振动信息，该调节单元根据该位移信息所对应的实际位移值与通过该PID控制器设定的被控对象的预设位移值的差量、该振动信息以及该控制装置预先设定的性能指标调节PID控制器器的控制参数。
6.如权利要求5所述的采用PID控制器的控制装置，其特征在于：该PID控制器包括依次连接的位置控制模块、速度控制模块及电流控制模块，该调节单元用于调节该位置控制模块的比例增益。
7.如权利要求5所述的采用PID控制器的控制装置，其特征在于：该位移感测单元为一光电编码器。
8.如权利要求5所述的采用PID控制器的控制装置，其特征在于：该振动感测单元为一加速度传感器，其用于获取被控对象在空间坐标的三轴方向的振动信息。
9.如权利要求8所述的采用PID控制器的控制装置，其特征在于：该振动信息包括振幅和振动频率信息。
10.一种机器人，其包括机械臂、驱动该机械臂的步进电机以及控制该步进电机的步进电机驱动器，其特征在于：该机器人还包括权利要求5至9任一项所述的控制装置，该PID控制器设于该步进电机驱动器内，该位移感测单元用于感测该机械臂的位移以获取机械臂的实际位移值，该振动感测单元设置于该机械臂上用于感测该机械臂的振动以获取振动信息，该调节单元根据该实际位移值与通过该PID控制器设定的机械臂的预设位移值的差量、该振动信息以及该控制装置的预先设定的性能指标调节PID控制器的控制参数，该PID控制器输出控制信号以控制该步进电机。
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