文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)01-0060-04
0 引言
工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù),在焊接,、切割,、搬運(yùn)、噴涂等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,,成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志[1],。機(jī)器人的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)模化生產(chǎn),、解決單調(diào)重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)質(zhì)量,,因此從一誕生就掀起了全球研發(fā)和應(yīng)用的熱潮[2],并逐漸成為柔性制造系統(tǒng),、自動(dòng)化工廠和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)中不可缺少的自動(dòng)化單元[3],。
機(jī)器人控制的常用算法有 PID 控制、自適應(yīng)控制,、魯棒控制,、迭代學(xué)習(xí)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制,、反演控制設(shè)計(jì)方案,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展,,先進(jìn)的智能 PID 控制策略相繼被提出,,為復(fù)雜動(dòng)態(tài)不確定機(jī)器人系統(tǒng)的控制提供了新的途徑[5]。例如,,任國(guó)華等學(xué)者提出了一種“多項(xiàng)式PD控制+機(jī)器人全局位置重力補(bǔ)償”的控制策略,并通過Lyapunov直接法證明了閉環(huán)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性,;另外由于增益的調(diào)整可能導(dǎo)致電機(jī)的力矩飽和,,從而影響控制性能,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,,基于此,,又給出了簡(jiǎn)單的增益調(diào)整規(guī)則[6]。胡克滿等人提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID控制策略實(shí)現(xiàn)了六自由度噴涂機(jī)器人的位置控制,,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和在線辨識(shí),,自適應(yīng)地調(diào)整PID的控制參數(shù),,從而獲得較好的控制性能和應(yīng)對(duì)參數(shù)變化的魯棒性[7]。昝鵬等人針對(duì)由空氣壓橡膠驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的三自由度微型機(jī)器人,,提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略,,用系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)值來代替實(shí)測(cè)值, 實(shí)時(shí)計(jì)算權(quán)系數(shù)的修正量來改變控制參數(shù)以提高控制效果,該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID控制方法的不足[8],。
本文針對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法在串聯(lián)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制中存在的問題,,提出了一種基于改進(jìn)PID控制算法的串聯(lián)機(jī)器人軌跡跟蹤控制策略,采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)策略對(duì)PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化,,以減小原算法的控制誤差,。
1 PID控制算法
PID控制是較早流行起來的控制方法之一,由于其在魯棒性上具有較好的性能,,被大量作用于過程的控制中,,并且使用也比較簡(jiǎn)便,可靠性較高,。
模擬PID調(diào)節(jié)器框圖如圖1所示,。
常規(guī)控制器作為一種線形控制器,其數(shù)學(xué)模型為:
其傳遞函數(shù)為:
其中:Kp為一個(gè)特定的比例系數(shù),,Ti為一個(gè)代表積分時(shí)間的常數(shù),,Td為一個(gè)代表微分時(shí)間的常數(shù),e為調(diào)節(jié)器的輸入偏差數(shù)值,,uo是控制量的基準(zhǔn),。
積分環(huán)節(jié)的功能是消除靜差,但容易造成超調(diào)和振蕩,。比例環(huán)節(jié)的功能是能快速找出誤差,,卻無法去除穩(wěn)態(tài)誤差,并且因?yàn)檫^大的作用容易引發(fā)不穩(wěn)定,。微分環(huán)節(jié)的功能是優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,,通過減小超調(diào)等來降低振蕩,并能夠加強(qiáng)其穩(wěn)定性,。
2 基于改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法
2.1 基于減聚類優(yōu)化的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
設(shè)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n,隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m,,輸出節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為p,,則第j個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的輸出為:
其中,x為輸入向量,,cj為中心矢量,,j為基寬帶參數(shù),并且有:
網(wǎng)絡(luò)輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出如式(5)所示:
其中,,wkj為 qj→yk的權(quán)值,,k為閾值,。
選取以下函數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)函數(shù):
其中,dk為理想輸出,, yk為實(shí)際輸出,。
針對(duì)傳統(tǒng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層單元數(shù)目難確定的問題,本文首先采用減聚類的方法對(duì)隱含層中心數(shù)目進(jìn)行優(yōu)化,。設(shè)一個(gè)立體的 n維空間 p個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(x1,,x2,…,,xp),,根據(jù)下式設(shè)定數(shù)據(jù)點(diǎn)xi處的密度指標(biāo):
然后對(duì)上式求出的密度指標(biāo)Di進(jìn)行最大值的選取,選取結(jié)果為聚類中心,,記為xc1,,接著對(duì)上述密度指標(biāo)進(jìn)行更新操作,如下式所示,。
對(duì)更新后的密度指標(biāo),,重復(fù)最大值選取操作,設(shè)定聚類中心,,直到滿足下式要求時(shí),,結(jié)束循環(huán)。
接著,,采用Logistic映射對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,。Logistic映射的變量轉(zhuǎn)換,如下式所示,。
將其代入Logistic映射中,,得到:
xn+1=1-2(xn)2(11)
最后,采用減聚類的方法和改進(jìn)的Logistic映射對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,,具體步驟如下:
(1)采用減聚類的方法得到RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聚類數(shù)目,,記為k,將輸入樣本記為Xi,;
(2)對(duì)聚類中心進(jìn)行隨機(jī)選取,,并對(duì)其到輸入樣本的距離進(jìn)行計(jì)算。
其中,,i表示聚類中心,,并且有i=1,2,,…,k,;j表示輸入樣本,,并且有j=1,,2,…,,N,。
(3)對(duì)式(12)得到的到輸入樣本的距離di進(jìn)行求平均操作,如下式所示,。
(4)采用Logistic對(duì)中心值進(jìn)行精度的提升,,如下式所示。
其中,,Yn的取值范圍為(-1,,1)。
(5)在迭代n次后,,得到最終的聚類中心,,如下式所示。
c(n)t=c(n-1)t+zn Yn-1(15)
其中,,zn=z0 exp(·n)為迭代中的變化參數(shù),。
(6)循環(huán)n次迭代,比較聚類中心的大小,,選取其中的最小值,,作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類中心。
2.2 基于改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法
針對(duì)串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的控制需求,,本文采用上文提出的改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行改進(jìn),,以達(dá)到更精確的串聯(lián)機(jī)器人軌跡跟蹤控制??刂撇呗匀鐖D3所示,。
圖3中的r(t)為給定信號(hào),y(t)為機(jī)器人支路的輸出信號(hào),,則基于改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制誤差為:
error(k)=r(k)-y(k)(16)
PID控制算法的各項(xiàng)參數(shù)分別為:
x(1)=error(k)-error(k-1)(17)
x(2)=error(k)(18)
x(3)=error(k)-2error(k-1)+error(k-2)(19)
將式(17)~(19)代入增量式PID控制算法中,,則控制算法為:
u(k)=u(k-1)+kp x(1)+ki x(2)+kd x(3)(20)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練指標(biāo)為:
代入到增量PID控制器的參數(shù)kp、ki,、kd的表達(dá)式為:
式中,,為學(xué)習(xí)速率,為串聯(lián)機(jī)器人各條支路的輸出對(duì)支路控制的靈敏度信息,,其表達(dá)式為:
3 算法性能仿真
為了驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)算法的有效性,,對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并與傳統(tǒng)算法進(jìn)行對(duì)比,。串聯(lián)機(jī)器人額定功率為400 W,,額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩為1.3 N·m,最大轉(zhuǎn)矩為0.67 N·m,,某兩次位移控制的結(jié)果如表1所示,,多次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如圖4~圖6所示。
從仿真結(jié)果中可以看出,,本文提出的改進(jìn)PID控制算法因?yàn)橥ㄟ^改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)和調(diào)整,,其對(duì)串聯(lián)機(jī)器人的位移控制與預(yù)期位移近似,其控制的平均誤差可以達(dá)到3%以內(nèi),,并且其平均響應(yīng)時(shí)間為1 s,,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)PID算法。
綜上所述,,本文提出的改進(jìn)算法比傳統(tǒng)PID控制算法對(duì)串聯(lián)機(jī)器人軌跡跟蹤控制的效果要好,,大大降低了其誤差,提高了PID控制器的魯棒性,。
4 結(jié)論
串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)是很復(fù)雜的非線性系統(tǒng),,其軌跡跟蹤控制是在串聯(lián)機(jī)器人控制問題中的一個(gè)重要方面。本文提出了基于改進(jìn)PID控制算法的串聯(lián)機(jī)器人軌跡跟蹤控制策略,,從仿真結(jié)果中可以看出,,本文提出的改進(jìn)算法的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)PID控制算法的控制誤差,證明該控制策略切實(shí)有效,。
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