二自由度机械臂控制系统的设计与实现

论文摘要

在20世纪30到40年代,奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理论的初步形成奠定了基础;二次大战以后,经过众多学者的努力,形成了较为完整的自动控制系统设计的频率法理论和根轨迹法理论。这种建立在频率法和根轨迹法基础上的理论,通常被称为经典控制理论。随着现代科学技术的迅速发展,控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化,以数学建模和数值计算为基础的经典控制理论面临许多新问题,如:计算复杂性的急剧增加;建模的困难越来越大;多输入和输入信息多样化;非线性系统的控制等等,所以诞生了以状态空间法为基础的现代控制理论。较之经典控制理论,现代控制理论的使用范围更广泛,它既可以适合单变量的、线性的、定常的、连续的的系统,也可以适合多变量的、非线性的、时变的、离散的系统。随着科学技术的突飞猛进,对工业过程控制的要求越来越高,不仅要求控制的精确性,更注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和学习能力。另外,需要控制的工业过程日趋复杂、工业过程严重的非线性和不确定性,使许多系统无法用数学模型精确描述,现代控制方法面临空前的挑战。为解决以上现代控制系统存在的问题,“大系统理论”、“复杂系统”及“智能控制”是目前控制理论较为热门的研究方向。近年来,得益于计算机科学技术和智能信息处理的高速发展,智能控制理论与智能化系统发展十分迅速。其中代表性的理论有专家系统、模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法、混沌控制等。模糊逻辑控制作为智能控制的一种重要方法,近年来发展很快。模糊控制实质上是一种非线性控制,它采用模糊语言描述系统,既可以描述应用系统的定量模型也可以描述其定性模型,所以模糊逻辑可适用于任意复杂的对象控制。本文通过研究模糊控制理论的发展和应用,对比PID算法和其他模糊控制算法,阐述自组织模糊控制方法的优势。本文使用MATLAB仿真自组织模糊控制算法对二自由度机械臂的控制,说明自组织模糊控制算法的可行性和有效性。为了验证本文所提出的自组织模糊控制器的可行性,本人研究制作了一套二自由度机械手臂控制系统以评估模糊自组织控制的可行性。实验结果证实,自组织模糊控制器在减少机械臂关节空间轨迹追踪误差上,比传统模糊控制器有较佳的控制性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 本论文的主要工作
• 1.3 机器人研究及控制算法现状
• 1.3.1 控制理论的发展
• 1.3.2 机器人及其控制技术的发展
• 1.3.3 模糊控制理论概述
• 1.3.4 MATLAB的运用
• 第二章 机械臂控制系统概述
• 2.1 二自由度机械臂运动学分析
• 2.1.1 机械臂工作空间分析
• 2.1.2 机械臂运动学解
• 2.2 二自由度运动路径规划
• 2.2.1 直角坐标空间运动路径规划算法
• 2.2.2 直线插补和圆弧插补算法
• 第三章 PID控制与自组织模糊控制
• 3.1 PID控制
• 3.1.1 数字PID控制
• 3.2 自组织模糊控制
• 3.2.1 在线形式的自组织模糊控制
• 3.2.2 离线形式的自组织模糊控制
• 3.2.3 基于神经网络的自组织模糊控制
• 3.2.4 与常规控制算法的结合
• 第四章 控制算法建模及仿真比较
• 4.1 二自由度机械臂PID模糊控制器建模
• 4.1.1 PID模糊建模
• 4.1.2 PID模糊控制
• 4.1.2 PID模糊控制仿真
• 4.2 二自由度机械臂自组织模糊控制建模
• 4.2.1 自组织模糊控制器建模
• 4.2.2 自组织模糊控制仿真
• 4.3 仿真结果比较
• 第五章 二自由度机械臂系统的设计与实现
• 5.1 二自由度机械臂硬件设计
• 5.1.1 二自由度机械臂机械结构设计
• 5.1.2 二自由度机械臂电路设计
• 5.1.3 硬件组装
• 5.2 二自由度机械臂软件设计
• 5.2.1 MATLAB图形分析程序设计
• 5.2.2 控制器的MATLAB程序设计
• 5.2.3 AVR单片机程序设计
• 5.3 系统控制流程
• 5.4 系统的实现
• 5.5 实验结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢