二自由度PID控制系统设计
二自由度PID控制系统设计与研究
孙维（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011）
指导老师：杨伟
摘要：传统的PID控制是一自由度的PID控制，只能对系统的一个控制参数进行设定，所以很难在实际控制中得到理想的控制效果。而二自由度PID控制系统可以独立设定两个控制参数，使系统的设定值跟踪效果和抑制干扰的效果同时达到最优。本文首先对二自由度PID控制方式做以介绍。其次，根据事先选定的被控对象的传递函数对被控系统加以分析，建立被控对象频域特性的二阶系统模型，对控制参数加以整定。再次，根据对几种控制方式的控制效果的比较，做出二自由度PID控制方式的选择。最后通过Matlab软件进行仿真，并对结果加以分析。
关键词：二自由度PID控制，设定值跟踪，干扰抑制
一、引言
PID控制方式在工业控制过程中是最常见的方式。但传统的PID控制器，无法做到既可以跟踪设定值又可以抑制各种外界干扰。原因在于传统PID控制只可以设定一个PID控制参数，即一自由度PID 控制器。在这种控制方法中，PID控制参数的整定只可以是将目标值跟踪特性和抑制外界干扰特性的折中的处理方法。
二自由度的PID控制方式是在传统的PID控制中想办法整定两套能独立整定的PID控制参数，从而使被控制系统的目标值跟踪特性和外界干扰抑制特性可以同时达到最佳的控制效果的控制方式。基于这种理论的基础之上，人们发展了很多智能型的PID控制器，比如专家型的PID控制器、神经网络PID 控制器、基于遗传算法PID控制器等等。本文采用专家型的二自由度PID控制器来提升被控制系统的控制效果。
二、二自由度的PID控制方式及其选择
2.1控制方式介绍
2.1.1前馈型PID控制方式（专家式）
目前实际应用中的二自由度PID控制方式包括前馈型和滤波型两种。当控制系统中的被控对象参数发生变化时，利用人工改变相应PID控制参数及二自由度化系数是比较繁琐的。为了克服这一问题人们设计了一种前馈型的二自由度PID控制方式，即专家式自动整定调节器。
前馈型PID调节器再根据阶跃响应法辨识出被控制对象G(s)的大致参数后依据整定公式求出使干扰抑制特性达到最佳的PID控制参数值，然后依据系统的参数以及为满足系统不同控制品质要求而设定的超调量δ的大小，查找出比例尺增益二自由度化系数α的值、积分时间二自由度化系数β矩阵表，得到相对应的α、β值，使系统响应趋于控制效果最佳的设定目标。在本文中将采用滤波型二自由度PID 控制方式的结构设计控制器。所以重点研究滤波型二自由度PID控制方式的结构特点。
2.1.2设定值滤波型控制
设定值滤波型二自由度的PID 控制系统结构在传统的测量值微分先行的PID 结构上再附加上设定值滤波器而构成的。其中滤波器的传递函数：
式中α是比例增益二自由度化系数（0≤α≤1）、β是积分时间二自由度化系数（0≤β≤1）、γ是微分时间二自由度化系数（0≤γ≤1）,其中1/η为微分增益（0.1≤η≤1）。
当系统中增大α值时，系统响应的上升时间将会减小，超调量δ会增加，适当的增加β的值，可使得系统在上升时间几乎不发生变化的情况下减小超调量δ的值，而γ值的加入仅仅会使阶跃响应的效果变差．这是由于相当于微分作用的γ的值在给定值发生变化的时候会造成操作信号发生急剧变化，所以一般采用仅PI 控制作为二自由度的控制方式(即令γ=0)。当α、β、γ的加入或改变时，不会影响被控制系统的扰动响应，这也是二自由度P1D 控制方式的控制特性的表现．即首先设定使系统干扰抑制为控制效果最佳的PID 控制参数，然后再选择合适的二自由度化系数α、β、γ的值，使得被控制系统的设定值跟踪特性以及干扰抑制特性同时达到最佳。
2.2PID 控制方式的选择
由于本次毕业设计已事先选取好被控制对象的传递函数，所以可以直接采用用设定值滤波型的二自由度PID 设计实现对被控对象的控制要求。所以选择设定值滤波型控制方式。
三、被控对象的分析及PID 控制参数的整定
3.1被控对象的分析
被控对象的传递函数为：0.5()10/(21)(81)s G s e s s -=++,由结构分析得：
01()()()G s G s G s =?，且0()10/(16101)G s s s s =?++；0.51()s
G s e -=3.2PID 控制参数整定
3.2.1PID 控制参数整定方法
PID 控制器的控制参数的整定是控制系统设计过程中的核心内容。它是依据被控过程的系统特性来确定PID 控制器的比例系数的值、积分时间的值和微分时间的值。
PID 控制器控制参数的整定方法有很多，概括起来包括两大类：一类是理论计算整定法。它主要依据被控系统的数学模型，经过理论上的计算来确定控制器的参数。这种方法得到的计算数据不一定可以直接使用，有时还必须通过工程实际情况进行调整和修改。另一类是工程整定方法，它主要是依赖工程上的经验，直接在被控制系统的试验中进行整定，这种整定方法具有简单、易于掌握的特点，在实际的工程中被人们广泛采用。PID 控制器的参数的工程整定方法，主要包括临界比例法、衰减曲线法。
两种整定方法各有各的特点，它们的共同点是都要通过试验，然后再按照工程经验公式对控制器的参数进行整定。但无论采用哪一种方法整定得到的控制器参数，都需要在实际工程运行中再进行调整与完善。
3.2.2参数整定方法的选择
现在采用较多的是临界比例度法。但采用临界比例度法的时候有一个限制条件，被控制对象的系统发生临界震荡的条件是被控系统的阶数得是3阶或3阶以上。
因本次毕业设计选取好的被控对象产生临界震荡时候的最高阶次为2，所以本设计中选择
Ziegler-Nichol 整定法。
3.2.3Ziegler-Nichol 整定方法整定PID 控制参数
()(1)/(1)/(1)[()/(1)/(1)]
i i i i i d d H s T s T s T s T s T s T s T s αβγη=++++-+++
Ziegler-Nichol 整定方法是依据频域设计PID 控制器的一种方法。基于频域分析需要考虑参考被控模型，首先要辨识出一个比较好的能反应被控对象频域特性的二阶系统模型。根据这样的系统模型，再结合给定的系统性能指标可以推导出理论公式，以用于PID 控制参数的整定。
Ziegler-Nichol 整定方法整定参数的二阶模型如图1所示：
图1Ziegler-Nichol 整定法正定参数的二阶模型
Ziegler-Nichol 整定方法是依据给定的被控制对象的瞬态响应特性来确定PID 控制器的控制参数的。首先通过实验的方法获取被控制对象的单位阶跃响应，如果被控制对象单位阶跃响应曲线是S 型，则可以用这种参数整定方法。被控系统的阶跃响应曲线如图2所示：
图2被控对象单位阶跃响应曲线
从系统的响应曲线可以知道，用Ziegler-Nichol 整定方法整定系统的控制参数是可行的。所以利用延迟时间L、放大系数K 以及时间常数T,根据表1中公式可以确定p K 、i T 和d T 的值，如表2所示：
表1Ziegler-Nichol 整定参数计算表（L=3.2；T=14.8；K=10）控制器类型比例度积分时间微分时间P
T/(KL)∞0PI
0.9T/(KL)L/0.30PID 1.2T/(KL) 2.2L 0.5L
表2Ziegler-Nichol 整定参数结果控制器类型
p K i T d T P
0.463∞0PI
0.4140.0940PID 0.5550.142 1.6
四、二自由度PID 控制方式的选择
4.1控制效果的对比
当输入信号为阶跃信号量15，滞后为0.5s 时的阶跃响应和外加干扰量2，滞后20s 时的三种控制效果的比较如下：
1.比例控制时的单位阶跃响应曲线如图3所示（p K =0.463,i T =∞,d T =0）：
图3比例控制时的单位阶跃响应曲线
2.外加干扰时比例控制的阶跃响应曲线如图4所示：
图4外加干扰时比例控制时的单位阶跃响应
3.比例+积分控制时阶跃响应曲线如图5所示（p K =0.414，i T =0.094，d T =0）：
图5比例+积分控制时候的阶跃响应
4.外加干扰时比例+积分控制时阶跃响应曲线如图6所示：
图6外加干扰时比例+积分控制的阶跃响应曲线
5.比例+积分+微分时的阶跃响应曲线如图7所示（p K =0.555，i T =0.142，d T =1.6）：
图7比例+积分+微分时的阶跃响应曲线
6.外加干扰时比例+积分+微分控制时的阶跃响应曲线如图8所示：
图8加干扰时比例+积分+微分控制时的阶跃响应曲线
4.2二自由度PID 控制方式的选择和二自由度化系数的选择
4.2.1控制方式的确定
从上节三种控制方式下系统的阶跃响应、外加干扰的响应的过渡时间、上升时间、超调量、最大偏差和衰减比等指标参数中可以比较出，比例+积分+微分控制方式的控制效果最适合控制被控制对象。
4.2.2二自由度化系数的确定
二自由度PID 控制方式和二自由度化系数的关系如表3所示。
表3二自由度方式和二自由度化系数控制器类型
αβγPI—PD
0.400PI—PID
0.40.150PID—PID 0.40.150.48
由表格数据的可确定二自由度化系数α=0.4，β=0.15，γ=0.48。
五、二自由度PID 控制的仿真研究
5.1仿真模型的分析
5.1.1仿真模型
如图9和图10所示。
5.1.2模型参数的选取
由上章实验得出p K =0.555，i T =0.142，d T =1.6；α=0.4，β=0.15，γ=0.48。故带入这些数据可得设定值滤波器函数：3232()(38.0625.28.81)/(7.951.8514.241)
H s s s s s s s =++++++主回路中PID 的控制参数为p K =0.555，i T =0.142，d T =0；反馈回路中的PID 控制参数为p K =0.555，
i T =∞，d T =1.6。
图9二自由度PID 仿真模型一
图10二自由度PID 仿真模型二
5.1.3外界干扰信号
外加干扰信号量取3，作用时间steptime 取25s。
5.2二自由度PID 仿真的结果
5.2.1外加干扰前的仿真曲线
不加干扰时模型一和模型二的控制结果的仿真曲线如图11和图12：
图11干扰前模型一的仿真效果图
1
Out1
Transport
Delay
num(s)
den(s)
Transfer Fcn21016s +10s+12Transfer Fcn Step1
Step Scope
PID
PID Controller1PID PID Controller 1
Out1
Transport
Delay
0.15
7.04s+1
Transfer Fcn5
7.04s 7.04s+1Transfer Fcn40.768
0.16s+1
2.816s+1
7.04s+1
Transfer Fcn21016s +10s+12Transfer Fcn Step1
Step Scope
PID PID Controller1PID PID Controller
图12干扰前模型二的仿真效果图
5.2.2外加干扰后的仿真曲线
加干扰后模型一和模型二的控制结果的仿真曲线如图13和图14：
图13外加干扰后模型一的仿真效果图
图14外加干扰后模型二的仿真效果图
5.2.3仿真结果的对比与分析
从以上两图的仿真效果曲线图可知，二自由度PID控制方式可以做到设定值的跟踪，即测量信号的量15的跟踪，同时也做到了抑制外加干扰信号。弥补了传统的一自由度PID控制方式的不能同时兼顾设定值跟踪和外加干扰抑制的缺陷。然而从实验的结果也同样可以得出结论，设定值滤波型的二自由度PID控制方式的两个控制模型中，第二个控制系统模型的效果更接近于理想的状态，第一个系统模型的控制前期出现了不稳定的扰动量，可能是因为传递函数的理论计算过程中省略了的小数点后几位数而导致系统传递函数存在的缺陷。这是系统本身的缺陷和外加干扰等因素无关。
六、结论
本文依据设定值滤波型的原理，针对选定的具有滞后的被控制对象和测试信号的量做了基于Matlab/simulink的软件仿真的设计与研究。理论分析和软件仿真实验的研究结果表明，用这种方法设计的二自由度PID调节器具有较好的目标跟踪特性、外加干扰抑制特性，从而能够取得较好的系统控制品质。这种二自由度PID控制器可以满足高性能的控制系统的要求；同时这种调节器结构简单、控制参数调整方便、容易理解和实用性强等诸多优点。
本次毕业设计经过大量的文献检索、理论计算和多次的软件调试，做到了从理论分析到实践环节中得到结果的整个环节，最终设计出了一个可以同时兼顾设定值跟踪和外加干扰抑制两种特性的二自由度PID控制器。
参考文献
[1]安秋顺，二自由度PID控制[J]，冶金自动化，Vol.16，No.4，1992.
[2]孟庆贤、李甲申，二自由度PID控制及其应用[J]，基础自动化，No.1，1997.
[3]李甲申、李福林，简化二自由度实用性PID控制器[J]，冶金自动化，Vol.18，No.1，1994.
[4]田玉楚,大时滞工业过程的双控制器结构[J],自动化学报，1999,25(6):824-827.
[5]张卫东,给定值和干扰响应解藕的新型控制器设计[J],自动化学报，2001,27(1):103-107.
[6]徐文榜,二自由度PID控制的运动控制器参数自设计[J],基础自动化,2001.8(2):51-53.
[7]郑卫东,二自由度前馈调节器[J],自动化与仪器仪表，2000(2):43-45.
[8]C.M.liaw，F.J.Lin，Y.S.Kung，“Design and implementation of a high performance induction
motor servo drive”,IEEE Proceedings-B，Vol.140，No.4，pp.241-248，JULY1993.
[9]F.J.Lin，C.M.liaw，“Control of Indirect Field-Oriented Induction Motor Drives Considering
the Effects of Dead-Time and Parameter Variations”,IEEE Trans.Ind.Electron，vol.40，No.5，pp.486-495，October1993.
The Design and Research of Two Degree of Freedom PID Control System
SunWei
(School of Physics and Electrical of Anqing Normal College,Anqing246011)
Abstract:The traditional PID control is a degree of freedom PID control,a control parameter of the system can only be set,so it is very difficult in the practical control to get ideal control effect.And the two degree of freedom PID control system can be independently set two control parameters,the system set point tracking effect and suppress the interference effect and at the same time optimal.This paper introduces the two degree of freedom PID control method.Secondly,according to the transfer function of the controlled object selected in advance of the controlled system is analyzed,and the control parameters setting.Thirdly,based on the comparison of several control methods of the control effect,make the two degree of freedom PID control mode selection.Finally,through Matlab simulation software,and analyzes the results.
Key Words:Two degree of freedom PID control,set point tracking,disturbance rejection
二自由度简易云台增稳控制系统设计
二自由度简易云台增稳控制系统设计 项目简介：本课题要求学生在查阅相关资料的基础上，利用单片机、IMU姿态测量元件、舵机等设备搭建二自由度增稳控制平台，设计姿态数据的读取程序，设计舵机的控制程序，设计增稳平台的机械结构，对所设计的程序进行调试，实现云台的增稳控制。 项目方案： 本课题分以下步骤展开研究： 2014年4月~ 2014年10月 收集有单片机接口程序设计方面的资料，学习相关理论知识； 2014年11月~2014年12月 学习MWC飞行控制板的程序设计技术； 2015年1月~2015年4月 设计板载姿态传感器数据读取； 2015年5月~ 2015年8月 设计舵机控制程序和平台机械结构，测试平台增稳性能； 2015年9月~2015年10月 撰写研究报告、结题，项目鉴定。 本项目主要使用MWC飞行控制板和舵机实现二自由度平台的增稳控制 预期成果： 本项目要求完成如下成果： 设计并实现二自由度增稳平台的软、硬件系统，搭建增稳平台的机械结构，完成系统的负载测试。完成研究报告一份。 二自由度云台概述: 云台是一种安装、固定摄像装置的支撑设备，用于摄像装置与支撑物的联结。其英文名称为Pan-Tilt(简称PT),即可以在水平方向和俯仰方向旋转的机械装置。主要用于安装监控、动态摄像等需要进行运动图像（视频）捕捉的场合或环境，使采集方式更直接方便；在需要摇摆和摆动的机构中，如机械臂等，也利用云台来实现可接触范围的延伸和扩展。 根据云台的回转特点可以分为只能左右旋转的水平旋转平台和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台，即二自由度（2-Degree of Freedom）云台，简称2-DOF云台。 增稳的意义： 比如飞行器在飞行过程中，由于自身的抖动以及外界因素对它的影响，它的姿态不断变化，装在上面的图像采集装置一起变化，导致图像的不稳定。如果采用反馈控制原理，先测量姿态变化，再传输到控制装置（舵机），达到稳像的目的。将一个二自由度的稳像平台与遥控直升机恰当地结合在一起，实现了在飞行过程中跟踪目标稳定图像，保持图像质量的功能。
双自由度控制器
第一章绪论 在工程和科学技术发展过程中，自动控制担负着重要的角色。除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中，自动控制具有特别重要的作用之外，它已成为现代机器制造业和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部分。例如，在制造工业的数控机床控制中，在航空和航天工业的自动驾驶仪系统设计中，以及在汽车工业的小汽车和大卡车设计中，自动控制都是必不可少的。此外，在工业中的过程控制，对压力、温度、湿度、黏性和流量的控制等工业操作过程，自动控制也是不可缺少的。 自动控制理论和实践的不断发展，为人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了生产率，并且使人们从繁重的体力劳动和大量重复性的手工操作中解放出来。 1.2控制系统的分类 1.2.1 反馈控制系统 能对输出量与参考输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以 保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。室温控制系统就是反馈系统的例子。通过实际室温，并且将其与参考温度（希望的室温）进行比较，温室调机器就会按照某种方式，加温或冷却设备打开或关闭，从而将室温保持在使人们感到舒适的水平上，且与外界条件无关。反馈系统并不限于工程系统，在各种不同的非工程领域，同样存在着反馈控制系统。 1.2.2 闭环控制系统 反馈控制系统通常属于闭环控制系统。在实践中，反馈控制和闭环控制这两个术语通常交换使用。在闭环控制系统中，作为输入信号与反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数及其导数和/或其积分）之差的作用误差信号被传送到控制器，以便减小误差，并且使系统的输出达到希望的值。闭环控制这个术语，总是意味着采用反馈控制作用，以减小系统误差。
云台两自由度控制
云台两自由度控制 作者：04——715班王天指导老师：李 云台是搭载激光测距仪座，摄像头座，机械手座之物，为这些仪器部件提供更大的适用范围。 此品主要采用蜗轮蜗杆的结构来作为传动机构。 其优点是可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑，因为线接触，故承载能力比交错轴斜齿轮大得多，另外传动平稳无噪音，这样仿生蛇可以执行更隐蔽的任务。还有蜗杆的到程角r小于轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能有蜗轮带动蜗杆，这样便于抬板稳定在某一位置工作。而蜗轮蜗杆将纵向转动变为侧向转动方可以使我们的布局更合理。 当然蜗轮蜗杆机构也具有一定的缺点，（1）齿合时相对滑动速度v较大，以磨损，以发热股效率低，而对于具有自锁性的蜗杆传动其效率更低。（2）为了散热和减小摩擦，常需贵重的抗磨材料和良好的润滑装置，故成本较高（3）蜗杆的轴向力较大。看起来去点多多，但在我们的设备本身的运作状况下这些也便不再是缺点了。首相我们的设备转速要求不大，阻力也不大，并不要求时刻保持运作，因此以磨损，易发热，效率较低情况便可忽略。也因如此便不用采用贵重的材料了，所以成本的问题也便不再成为问题。因为阻力不大，轴向力大的问题也便不是问题了。 我们用的电机是瑞士产的ZGR17AL支流减速电机。每分钟转速15转。正好可以迎合我们的设备不需要告诉运作的要求，而起匀速，慢速转动的特性，可以很好的进行控制，在开环控制的情况下获得较大的精度。 控制用数字化控制，利用双极坐标控制，（X,Y）.X为底盘转角。Y为台办的转角。X介于0度到360度之间，Y介于0度到90度之间。我们并没有安装测算转过角度的设备，我们通过测算电机转动时间来推算转过的角度，此过程在我们要求转动精度不高的情况下是一种很实用经济有效的手法。我们的转盘上安装一个触碰开关，这样在每次反应前，反转，当碰及触碰开关时停止，以此作为基准。这个既为校准的过程，此位置作为0度。在开始转动命令要求的角度。如此，可以是误差不累加化，提高了工作精度！ 我们的电子系统主要是利用plcc封装的51单片机来进行控制，其优点在于功能全面执行能力强，开发工具完善，衍生产品丰富，大量的设计资源可以继承和共享。此单片机成本较低，可以反复擦写1000次左右，可以在没有仿真器的情况下进行反复测试。有效的降低了成本，而plcc封装是正方形而且体积小重量轻，安装于抬板上，云台上，其重心较为稳定，可避免在蛇身高速运动，灵活转向时出现不必要的问题。而运抬要升高到很高高度时，其承载能力较差，所以减轻重量是必要之举。而且使用此单片机可是总体电路紧凑，简明，便于制作和日后维修。 工作原理简述：从并口输入坐标值（X,Y）.经过程序中的一套算法，其中包括蜗轮蜗杆的传动比，电机转速，时钟，底座（齿轮）半径，始终，最后转化为电机开启时间，使设备转到预定位置。
二自由度机器人的位置控制
实验二自由度机器人的位置控制 一、实验目的 1. 运用Matlab语言、Simulink及Robot工具箱，搭建二自由度机器人的几何模 型、动力学模型， 2. 构建控制器的模型，通过调整控制器参数，对二自由度机器人的位姿进行控 制，并达到较好控制效果。 二、工具软件 1.Matlab软件 2.Simulink动态仿真环境 3.robot工具箱 模型可以和实际中一样，有自己的质量、质心、长度以及转动惯量等，但需要注意的是它所描述的模型是理想的模型，即质量均匀。这个工具箱还支持Simulink的功能，因此，可以根据需要建立流程图，这样就可以使仿真比较明了。 把robot 工具箱拷贝到MATLAB/toolbox文件夹后，打开matalb软件，点击file--set path，在打开的对话框中选add with subfolders，选中添加MATLAB/toolbox/robot，保存。这是在matlab命令窗口键入roblocks就会弹出robot 工具箱中的模块（如下图）。
三、实验原理 在本次仿真实验中，主要任务是实现对二自由度机器人的控制，那么首先就要创建二自由度机器人对象， 二自由度机器人坐标配置 仿真参数如下表1： 表1 二连杆参数配置
1.运动学模型构建二连杆的运动学模型，搭建twolink模型在MATLAB命令窗口下用函数drivebot(WJB)即可观察到该二连杆的动态位姿图。 %文件名命名为自己名字的首字母_twolink %构造连杆一 L{1}=link([0 0.45 0 0 0],'standard') ; L{1}.m=23.9 ;
二自由度PID控制系统设计
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二自由度控制方法研究综述
二自由度控制方法研究综述* 张井岗 太原重型机械学院自动化系，太原030024 摘要：本文总结了二自由度PID 控制的原理、几种主要的二自由度控制器的设计方法和二自由度控制与其它一些控制方法的结合。最后提出二自由度控制发展的前景和可以继续深入研究的方向。 关键字：二自由度控制、PID 控制 Study of Two Degree-of-Freedom Control Method----Survey Zhangjing gang Department of automation, Taiyuan Heavy Machinery Institute, Taiyuan 030024 Abstract ：This paper summarized the principle of two-degrees-of-freedom control (TDF) PID control ，several major design methods of the TDF controller ，the combination of TDF control and other control strategy are explained in detail. Finally ，this paper points out the prospect of TDF control and suggest the direction of the further study of TDF control too. Key words: Two-Degrees-of-Freedom control ，PID control 1引言 在自动控制系统的设计过程中，目标值跟踪特性和外扰抑制特性是设计者关注的两个主要问题。在过去的控制中，定值系统强调外扰抑制特性，随动系统强调目标值跟踪特性，两种特性均要求十分严格的场合比较少见。但是随着高新技术的发展和应用，对自动控制系统的要求越来越高，同时要求目标值跟踪特性和外扰抑制特性最佳的系统愈来愈多。而目前在工业控制中广泛采用的PID 调节器只能设定一组控制参数，（称一自由度控制方式，控制器结构图如下所示）一般来讲，若按干扰抑制特性来整定参数，则目标值跟踪特性差；若按目标值跟踪特性来整定参数，则干扰抑制特性差，所以PID 调节器的参数整定通常采用折衷的办法。这样做一般能满足大多数控制系统的要求，但对于高性能控制系统则有一定的局限。针对这 图1 一自由度控制器结构图 图2 二自由度控制器结构图 所谓二自由度控制一般说来就是：采用图二这种控制系统结构，设法将控制器C 分解，通过不同的设计方法，找到两组独立的参数并设计出两个独立的控制器，分别用来获得最优的目标跟踪值特性和干扰抑制特性，从而达到控制系统的期望特性。 * 本项目受山西省自然科学基金项目（20001038）资助 r r
二自由度机器人的通用控制
二自由度机器人的通用控制 机器人是一中自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智力能力，如感知能力，规划能力，动作能力和协同能力，是一中具有高度灵敏的自动化机器。作为一个复杂的综合系统，机器人控制系统涉及到很多的学科（如计算机，机械，传感器，人工智能等）。其中，机器人的控制系统具有很重要的意义。随着机器人的功能日益复杂，如何综合考虑模块功能，控制性能要求，设计一个合乎要求的机器人控制系统，将是一项非常有意义的事情。 那么研究一个机器人控制系统，需要我们对机器人控制系统有一个明确的认识。机器人控制体系是指控制机器人的软件和硬件机构，其研究主要集中在机器人控制器的研究和开发上，通常分为功能设计和结构设计。功能设计部分要完成控制功能和算法的定义，结构设计是完成功能在软件和硬件上的分布。 本文概要 本文主要着眼于机器人的控制系统的设计。以二连杆机器人的控制系统为例提出二自由度机器人的控制设计方案：基于PID 控制器的二自由度机器人的MATLAB仿真。 第一章：机器人的基础知识 什么是机器人？如果将常规的机器人操作手与挂在多用车或着牵引车上的起重机进行比较，可发现两者非常相似。他们都具有许多的连杆，这些关节同过连杆依次连接，这些关节有驱动器驱动。在上
述两个系统中，操作手都能在空中运动并且还可以运动到空间的任何位置，他们都能承担一定的负荷，并都用一个中央控制器驱动器。然而，他们一个称为机器人一个称为起重机，两者最根本的不同就是起重机是有人工操作的，而机器人是由计算机编程控制的，正是通过这个可以区别一台设备到底是简单的操作机还是机器人。通常机器人设计成由计算机或着类似的装置来控制，机器人的动作受计算机监控的控制器多控制，该控制器本身也会运行某中类型的程序。因此，如果程序变了，机器人的动作相应的就会改变。我们希望一台设备能灵活地完成各种不同的工作而无需要重新设计硬件装置。为此机器人必须设计成可重复编程，通过改变程序来执行不同的任务（当然在限制的范围内）。简单的操作机除非一直有人来操作否则无法作到这一点。 机器人的分类： 按照日本工业机器人学会（JIRA）的标准，可奖机器人进行如下的分类： 第一类：人工操作装置----由操作员操纵的多自由度装置 第二类：固定顺序机器人-----按照预定的不变方法有步骤地依次执行任务的设备，其执行顺序很难改变。 第三类：可变顺序机器人------同第二类，但其顺序易于修改。 第四类：示教再现机器人（playback）-----操作员引导机器人手动执行任务，纪录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照纪录下的信息重复执行同样的动作。 第五类：数控机器人----操作员为机器人提供运动程序，而不是
二自由度控制阅读报告
3.1引言： 由前馈控制器和反馈控制器组成的二自由度控制方法通过前馈控制提高系统的跟踪控制精度和带宽，通过反馈控制补偿由外部干扰、系统不确定性因素等造成的跟踪误差，以及保证系统的鲁棒性。近年来，采用不同的前馈控制器和反馈控制器组成的二自由度控制方法越来越多地应用到坐落式微型智能电网、纳米定位以及光盘、硬盘驱动控制中，并证明其相对于单一的反馈控制具有更好的位置跟踪控制性能。目前，二自由度控制中的前馈控制器大多数都采用零相位跟踪控制(ZPETC)、零幅值跟踪控制(ZMETC)和基于滤波器的前馈控制等方法设计，反馈控制器则大多数采用PID 控制、自适应控制和鲁棒反馈控制等控制方法设计。然而，上述前馈控制器设计方法都是根据系统模型设计具备因果特性的稳定控制器，其对于期望跟踪信号和系统模型的信息利用不够充分，对于位置跟踪控制性能的提高是有限的。同时，大多数反馈控制器的设计方法都没有考虑到前馈控制器对整个跟踪控制系统性能的影响，这样，二自由度控制系统中的前馈控制信号和反馈控制信号随机叠加，会导致位置跟踪性能在系统不确定性存在的情况下并不一定能够满足系统跟踪控制的要求。 3.1.1 鲁棒控制方法的研究现状 近年来，诸多学者从线性矩阵不等式角度，结合李雅普诺夫函数，针对网络控制和时滞控制进行了研究。另有其他学者对非线性鲁棒控制进行研究，提出了抑制干扰和镇定的有效手段。 目前，针对鲁棒控制方法在实际中的应用，已经有较为成熟的CAD 工具，例如， H控制问题、综合设MATLAB Robust Control Toolbox 能够方便有效地解决LMI 问题、 计问题等。鲁棒方法由于其考虑了实际系统的不确定因素，也实际系统设计中得到了有效的使用，例如，在硬盘磁头定位控制中鲁棒方法的应用，使得在硬盘个体差异存在的条件下，仍能满足控制精度，满足了硬盘大批量生产的要求；批量生产的挖掘机控制的设计问题，也能够用鲁棒控制方法较为有效地解决；汽车离合器变速缓冲控制、矿车速度控制、三峡输电控制等诸多应用场合，鲁棒控制方法都发挥着重要作用。 3.1.2 二自由度方法研究现状 目前，大部分二自由度控制方法都是采用前馈控制器和反馈控制器分别单独设计的设计思路。学者们研究了许多不同的前馈控制器和反馈控制器为基础的二自由度控制方法。提出了一种将基于系统动态模型的前馈控制器和高增益PID 反馈控制器相结合的二自由度控制方法，以提高原子力显微镜纳米定位的精度和速度。利用基于参考模型的滤波器和状态反馈控制器的二自由度控制方法以提高跟踪控制系统的跟踪性能、稳定性和干扰抑制性能。给