切削加工机器人交流伺服系统控制器的研究
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摘要
随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域(如模糊控制、神经网络等)的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的工作。而机器人控制器的研究无疑对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大的意义。
本论文首先根据传统的控制理论和设计方法，对切削加工机器人的交流伺服系统从内环到外环依次对系统的电流环、速度环和位置环进行了设计和分析。其次对位置环的控制进行了改进，将位置前馈改进为速度前馈和加速度前馈，并在前向通路中增加了一个数字阶式滤波器组成复合运动控制器。然后运用先进的智能控制理论一一模糊控制来实现切削加工机器人的交流伺服系统的控制，并且提出了一种新的模糊控制方法——复合模糊PI+D控制方法。在整个设计研究过程中进行了大量的仿真和实验研究。仿真和实验结果表明，所设计的复合运动控制器和模糊运动控制器具有较好的稳态性能和动态性能，是切实可行的控制方法。
Along with the development of robot technique, the application area of robot is continuously enlarged, it put forward superior demand for robot behavior. So how can we apply the returns of other area (for example, Fuzzy controK Neural network, et al) to real-time manipulation of robot control system is a work full of challenge. It has great meaning to research the robot controller for raising robot performance and independence ability, and promoting the development of robot technique.
Firstly according to traditional control theory and design method, the current loop, velocity loop and position loop of AC servo system of machining robot was designed and realized from inside loop to outside loop in this paper. Secondly, the control of position loop was improved by using compound control with velocity and acceleration feed-forward control and digital notch filter control in feeding servo system. Afterward, the advanced intelligent control theory桭uzzy control theory was used to realize the control of AC servo system in a robot for machining. And a new fuzzy control method梒ompound fuzzy PI+D control method was put forward. In the whole design research process, a large numbers of simulation and experiment research have been carried out. The simulation and experimental result shown that the compound controller and the fuzzy controller have good steady-state-performance and dynamic-performance, and these control methods are available for AC-Servo Control System.
本论文首先根据传统的控制理论和设计方法，对切削加工机器人的交流伺服系统从内环到外环依次对系统的电流环、速度环和位置环进行了设计和分析。其次对位置环的控制进行了改进，将位置前馈改进为速度前馈和加速度前馈，并在前向通路中增加了一个数字阶式滤波器组成复合运动控制器。然后运用先进的智能控制理论一一模糊控制来实现切削加工机器人的交流伺服系统的控制，并且提出了一种新的模糊控制方法——复合模糊PI+D控制方法。在整个设计研究过程中进行了大量的仿真和实验研究。仿真和实验结果表明，所设计的复合运动控制器和模糊运动控制器具有较好的稳态性能和动态性能，是切实可行的控制方法。
Along with the development of robot technique, the application area of robot is continuously enlarged, it put forward superior demand for robot behavior. So how can we apply the returns of other area (for example, Fuzzy controK Neural network, et al) to real-time manipulation of robot control system is a work full of challenge. It has great meaning to research the robot controller for raising robot performance and independence ability, and promoting the development of robot technique.
Firstly according to traditional control theory and design method, the current loop, velocity loop and position loop of AC servo system of machining robot was designed and realized from inside loop to outside loop in this paper. Secondly, the control of position loop was improved by using compound control with velocity and acceleration feed-forward control and digital notch filter control in feeding servo system. Afterward, the advanced intelligent control theory桭uzzy control theory was used to realize the control of AC servo system in a robot for machining. And a new fuzzy control method梒ompound fuzzy PI+D control method was put forward. In the whole design research process, a large numbers of simulation and experiment research have been carried out. The simulation and experimental result shown that the compound controller and the fuzzy controller have good steady-state-performance and dynamic-performance, and these control methods are available for AC-Servo Control System.
引文
[1]黄真，孔令富，方跃法。并联机器人机构学理论及控制．机械工业出版社，1997．12
[2]申铁龙 机器人鲁棒控制基础．清华大学出版社，2000．1
[3]王效跃，黄玉美等。新型切削加工机器人及运动分析．机床与液压，(3)，1999
[4]汪劲松，黄田等。并联机床—机床行业面临的机遇与挑战．中国机械工程(10)，1999
[5]孙迪生，王炎。机器人控制技术．机械工业出版社，1997．4
[6]王季铁，曲家骐。执行电动机．机械工业出版社，1997．7
[7]秦忆等 现代交流伺服系统．华中理工大学出版社，1995．1
[8]陈伯时 电力拖动自动控制系统．机械工业出版社，1992
[9]郭庆鼎，王成元。交流伺服系统．机械工业出版社，1994
[10]袁宏，郭淑芳等。交流伺服系统的现状及发展趋势．沈阳工业大学学报，(2)，1995
[11]Liao-Chengfu, Yu-xin。On General Type of Digital Optimal Preview Servo System. 应用数学和力学(英文版)，(5)，1996
[12]余隽，邓志华。交流伺服系统全数字控制器．微电机，(Ⅰ)，1995
[13]耿连发，田立坚，吴延忠。交流伺服系统的发展概况．微电机(4)，1994
[14]李人厚 智能控制理论和方法．西安电子科技大学出版社，1999
[15]张文修，梁广锡。模糊控制与系统．西安交通大学出版社，1998
[16]刘向杰，周孝信，柴天佑。模糊控制研究的现状与发展．信息与控制，28(4)，1999
[17]何克忠，李伟。计算机控制系统．清华大学出版社，1998
[18]邓忠华，李叶松等。软件伺服系统位置分析．华中理工大学学报，22(4)，1994
[19]李叶松，邓忠华等。交流伺服系统速度高精度特性的研究．华中理工大学学报，22(4)，1994
[20]刘立志，崔纳新。高性能交流伺服系统的新型矢量控制方案．山东工业大学学报，(1)1996
[21]Tao-Guoliang,Wang-Xuanyin。Research on the Continuous Position Control to Servo-Pneumatic System.Journal of Zhejiang University Science, (2),2001
[22]Tung E D, Toth izuka M。High-Speed End Thilling using a Feed Forword Control Architecture.Journal of Manufacturing Scince and Engineering. 1996.118:178-187
[23]Faa-Jeng Lin .Real-Time IP Positioning Controller Design with Torque Feedforward Control for PM Synchonous Motor.IEEE Trans, 1997,44(3):398-407
[24]郑道昌。交流伺服系统的位置精度和误差原因．浙江海洋学院学报，(4)，1996
[25]王成元，杨俊友等。DSP控制的电主轴永磁电机交流伺服系统仿真．沈阳工业大学学报，(3)，1997
[26]钟庆昌，谢剑英，李辉。变参数PID控制器．信息与控制，28(4)，1999
[27]夏燕兰。全数字交流伺服系统增益调整分析．江苏机械制造与自动化，(2)，2001
[28]陶永华。新型PID控制及其应用．工业仪表与自动化，(1)，1998
[29]诸静。模糊控制原理与应用．机械工业出版社，1995
[30]张文修。模糊数学基础．西安交通大学出版社，1984
[31]曾光，梁慧冰。一种具有自调整比例环节的模糊PI控制器．广东工业大学学报，16(4)，1999
[32]郭前岗，李振安。自调整因子PI—FUZZY复合控制器及其在交流调速中的应用．陕西工学院学报，13(3)，1997
[33]银翔，孙炜，王耀南。基于规则自校正模糊控制器的交流伺服系统．湖南大学学报，(1)，2001
[34]杨霞，梁中华。专家控制多模糊规则集的复合控制交流伺服系统．沈阳工业大学学报，(5)，2001
[35]曹恒，孙宝元，段军等。柴油机模糊自校正PID控制器．大连理工大学学报，40(4)，2000
[36]程启明，陈雪丽，万德钧。一种自校正模糊控制器的设计及仿真研究．工业仪表与自动化装置，(2)，1999
[37]章卫国，杨向忠。模糊控制理论与应用．西北工业大学出版社，1999
[38]Lee C H, and Wang S D. A Self—Organizing Adaptive Fuzzy Controller. Fuzzy Sets and Systems,Vol:80(3),1996:301～310
[39]Chen J Q, et al. Study on Stability of Fuzzy Closed Loop Control Systems. Fuzzy Sets and Systems,1995, 70:275～285
[40]Kenji Inoue,Yuzo Takakado, Mutsuo Nakaoka. Auto—tuning Technology for Fuzzy Algorithms Based on DC Brushless Servo Systems. IEEE IECON, 1993, 446～450
[41]张念祖，朱汝辉等。模糊控制在机器人定位控制中的应用．控制与决策，10(2)，1995
[42]程善美，王晓翔等。交流伺服系统中基于模糊控制的速度控制器．电气传动，(4)，1995
[43]亢海伟，杨庆芬等。模糊控制与PID控制的内在联系．石家庄铁道学院学报，13(1)，2000
[44]刘立志，蒋玉珍。一种新的智能模糊控制算法及其应用．控制与决策，10(1)，1995
[45]李叶松，彭刚，秦忆。基于模糊推理的交流伺服系统自调整控制．微电机，33(4)，2000
[46]王耀南，余群明。工业机器人的模糊控制器设计．中南工业大学学报，29，1998
[47]王文格，扬宇，曹正铨。CNC机床伺服系统模糊控制研究．湖南大学学报，28(3)，2001
[48]高琴妹。参数在线自校正模糊控制器．电气传动与自动化，22(6)，2000
[49]王鸣。基于模糊控制理论的一种PID参数自整定控制器的设计与仿真．自动化与仪器仪表，(1)，2000
[50]李卓，萧德云等。基于模糊推理的自调整PID控制器．控制理论与应用，14(2)，1997
[51]李伟。一种高效能的机器人模糊控制方案．自动化学报，(7)，1995
[52]蔡自兴，模糊控制的典型结构．工业控制计算机，(1)，1997
[53]王智相，冯雄峰。一种智能模糊PID控制器的研究．机械工业自动化，17(4)，1995
[54]陈在平，魏克新。基于MATLAB(SIMULINK)语言的智能控制系统仿真．电气传动，(4)，1998
[55]薛定宇。反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用．清华大学出版社，2000
[56]刘革辉，单杰峰，郑楚光。MATLAB软件中的FUZZY Logic工具箱在模糊控制系统仿真中的应用．计算机仿真，17(5)，2000
[57]孙炜，王耀南，朱俊杰。基于模糊控制的交流伺服系统．电气传动与自动化，22(2)，2000
[58]James Carvajal, Guanrong Chen, Haluk Ogmen。Fuzzy PID controller:Design,performance evaluation,and stability analysis. Information Scinces, 123 (2000) 249～270
[59]Chul-Hwan Jung et al。A Real-time Self-tuning Fuzzy Controller Through Scaling Factor Adjustment for the steam Generator of NPP. Fuzzy Sets and Systems, 1995, 74, 53～60
[60]Ching-Chang Wong et al。Studies on the Output of Fuzzy Controller with Multiple Inputs. Fuzzy Sets and Systems, 1995,71,113～129
[61]M Mizumoto。Realization of PID Controls by Fuzzy Control Methods. Fuzzy Sets and Systems, 1995, 70, 171～182
[62]H Ying。General Analytical Structure of Typical Fuzzy Controllera and their Limiting Structure Theorems. Automatica, 1993, 29:1139～1143
攻读硕士学位期间发表的论文：
数控机床交流伺服系统运动制器的研究，机床与液压，2002，第6期
[2]申铁龙 机器人鲁棒控制基础．清华大学出版社，2000．1
[3]王效跃，黄玉美等。新型切削加工机器人及运动分析．机床与液压，(3)，1999
[4]汪劲松，黄田等。并联机床—机床行业面临的机遇与挑战．中国机械工程(10)，1999
[5]孙迪生，王炎。机器人控制技术．机械工业出版社，1997．4
[6]王季铁，曲家骐。执行电动机．机械工业出版社，1997．7
[7]秦忆等 现代交流伺服系统．华中理工大学出版社，1995．1
[8]陈伯时 电力拖动自动控制系统．机械工业出版社，1992
[9]郭庆鼎，王成元。交流伺服系统．机械工业出版社，1994
[10]袁宏，郭淑芳等。交流伺服系统的现状及发展趋势．沈阳工业大学学报，(2)，1995
[11]Liao-Chengfu, Yu-xin。On General Type of Digital Optimal Preview Servo System. 应用数学和力学(英文版)，(5)，1996
[12]余隽，邓志华。交流伺服系统全数字控制器．微电机，(Ⅰ)，1995
[13]耿连发，田立坚，吴延忠。交流伺服系统的发展概况．微电机(4)，1994
[14]李人厚 智能控制理论和方法．西安电子科技大学出版社，1999
[15]张文修，梁广锡。模糊控制与系统．西安交通大学出版社，1998
[16]刘向杰，周孝信，柴天佑。模糊控制研究的现状与发展．信息与控制，28(4)，1999
[17]何克忠，李伟。计算机控制系统．清华大学出版社，1998
[18]邓忠华，李叶松等。软件伺服系统位置分析．华中理工大学学报，22(4)，1994
[19]李叶松，邓忠华等。交流伺服系统速度高精度特性的研究．华中理工大学学报，22(4)，1994
[20]刘立志，崔纳新。高性能交流伺服系统的新型矢量控制方案．山东工业大学学报，(1)1996
[21]Tao-Guoliang,Wang-Xuanyin。Research on the Continuous Position Control to Servo-Pneumatic System.Journal of Zhejiang University Science, (2),2001
[22]Tung E D, Toth izuka M。High-Speed End Thilling using a Feed Forword Control Architecture.Journal of Manufacturing Scince and Engineering. 1996.118:178-187
[23]Faa-Jeng Lin .Real-Time IP Positioning Controller Design with Torque Feedforward Control for PM Synchonous Motor.IEEE Trans, 1997,44(3):398-407
[24]郑道昌。交流伺服系统的位置精度和误差原因．浙江海洋学院学报，(4)，1996
[25]王成元，杨俊友等。DSP控制的电主轴永磁电机交流伺服系统仿真．沈阳工业大学学报，(3)，1997
[26]钟庆昌，谢剑英，李辉。变参数PID控制器．信息与控制，28(4)，1999
[27]夏燕兰。全数字交流伺服系统增益调整分析．江苏机械制造与自动化，(2)，2001
[28]陶永华。新型PID控制及其应用．工业仪表与自动化，(1)，1998
[29]诸静。模糊控制原理与应用．机械工业出版社，1995
[30]张文修。模糊数学基础．西安交通大学出版社，1984
[31]曾光，梁慧冰。一种具有自调整比例环节的模糊PI控制器．广东工业大学学报，16(4)，1999
[32]郭前岗，李振安。自调整因子PI—FUZZY复合控制器及其在交流调速中的应用．陕西工学院学报，13(3)，1997
[33]银翔，孙炜，王耀南。基于规则自校正模糊控制器的交流伺服系统．湖南大学学报，(1)，2001
[34]杨霞，梁中华。专家控制多模糊规则集的复合控制交流伺服系统．沈阳工业大学学报，(5)，2001
[35]曹恒，孙宝元，段军等。柴油机模糊自校正PID控制器．大连理工大学学报，40(4)，2000
[36]程启明，陈雪丽，万德钧。一种自校正模糊控制器的设计及仿真研究．工业仪表与自动化装置，(2)，1999
[37]章卫国，杨向忠。模糊控制理论与应用．西北工业大学出版社，1999
[38]Lee C H, and Wang S D. A Self—Organizing Adaptive Fuzzy Controller. Fuzzy Sets and Systems,Vol:80(3),1996:301～310
[39]Chen J Q, et al. Study on Stability of Fuzzy Closed Loop Control Systems. Fuzzy Sets and Systems,1995, 70:275～285
[40]Kenji Inoue,Yuzo Takakado, Mutsuo Nakaoka. Auto—tuning Technology for Fuzzy Algorithms Based on DC Brushless Servo Systems. IEEE IECON, 1993, 446～450
[41]张念祖，朱汝辉等。模糊控制在机器人定位控制中的应用．控制与决策，10(2)，1995
[42]程善美，王晓翔等。交流伺服系统中基于模糊控制的速度控制器．电气传动，(4)，1995
[43]亢海伟，杨庆芬等。模糊控制与PID控制的内在联系．石家庄铁道学院学报，13(1)，2000
[44]刘立志，蒋玉珍。一种新的智能模糊控制算法及其应用．控制与决策，10(1)，1995
[45]李叶松，彭刚，秦忆。基于模糊推理的交流伺服系统自调整控制．微电机，33(4)，2000
[46]王耀南，余群明。工业机器人的模糊控制器设计．中南工业大学学报，29，1998
[47]王文格，扬宇，曹正铨。CNC机床伺服系统模糊控制研究．湖南大学学报，28(3)，2001
[48]高琴妹。参数在线自校正模糊控制器．电气传动与自动化，22(6)，2000
[49]王鸣。基于模糊控制理论的一种PID参数自整定控制器的设计与仿真．自动化与仪器仪表，(1)，2000
[50]李卓，萧德云等。基于模糊推理的自调整PID控制器．控制理论与应用，14(2)，1997
[51]李伟。一种高效能的机器人模糊控制方案．自动化学报，(7)，1995
[52]蔡自兴，模糊控制的典型结构．工业控制计算机，(1)，1997
[53]王智相，冯雄峰。一种智能模糊PID控制器的研究．机械工业自动化，17(4)，1995
[54]陈在平，魏克新。基于MATLAB(SIMULINK)语言的智能控制系统仿真．电气传动，(4)，1998
[55]薛定宇。反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用．清华大学出版社，2000
[56]刘革辉，单杰峰，郑楚光。MATLAB软件中的FUZZY Logic工具箱在模糊控制系统仿真中的应用．计算机仿真，17(5)，2000
[57]孙炜，王耀南，朱俊杰。基于模糊控制的交流伺服系统．电气传动与自动化，22(2)，2000
[58]James Carvajal, Guanrong Chen, Haluk Ogmen。Fuzzy PID controller:Design,performance evaluation,and stability analysis. Information Scinces, 123 (2000) 249～270
[59]Chul-Hwan Jung et al。A Real-time Self-tuning Fuzzy Controller Through Scaling Factor Adjustment for the steam Generator of NPP. Fuzzy Sets and Systems, 1995, 74, 53～60
[60]Ching-Chang Wong et al。Studies on the Output of Fuzzy Controller with Multiple Inputs. Fuzzy Sets and Systems, 1995,71,113～129
[61]M Mizumoto。Realization of PID Controls by Fuzzy Control Methods. Fuzzy Sets and Systems, 1995, 70, 171～182
[62]H Ying。General Analytical Structure of Typical Fuzzy Controllera and their Limiting Structure Theorems. Automatica, 1993, 29:1139～1143
攻读硕士学位期间发表的论文：
数控机床交流伺服系统运动制器的研究，机床与液压，2002，第6期
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