本发明涉及工业机器人的直线电机pid控制器的设计，属于工业机器人直线电机
技术领域：
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背景技术：
自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在短短50多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展。电机驱动是现代工业机器人的一种主流驱动方式，而直线电机由于其适应非常高速和非常低速的应用，高加速度，高精度，无空回，磨损小，结构简单，无需减速机和齿轮丝杠联轴器等优点在工业机器人领域得到广泛应用。对直流电机控制技术的研究基本可分为三个方面：传统控制技术、现代技术和智能技术。传统的控制技术如pid反馈控制，解耦控制等在交流伺服系统中得到广泛应用。其中pid控制技术蕴含动态控制过程中的过去，现在和未来的信息，具有较强的鲁棒性，是其最基本的控制方式。pid控制系统发展至今，工程整定方法主要是临界比例法，衰减曲线法、试凑法以及反应曲线法。但临界比例度法要求系统等幅振荡，而且还要经过多次试凑后才能取得较好的系统响应曲线；试凑法非常耗费时间和精力，而且需要反复调节参数；反应曲线法需要预先测量反应曲线，在某些工艺对象上的约束条件比较严，测试有困难，且干扰因素较多，因此应用场合有限。而衰减曲线法相比较前3种方法，较为简单，方便，更适用于工程应用。因此，本设计将衰减曲线法应用到确定直线电机pid控制器参数中，并结合试凑法，仿真结果表明，该方法可以取得较好的效果。技术实现要素：本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点。提供一种造价低、可靠性高以及简单方便的直线电机pid控制器。为解决上述问题，本发明提出如下的技术方案：一种基于衰减曲线法的直线电机pid控制器的设计方法，包括如下步骤：步骤1）根据直线电机的运行特性及参数建立直线电机的数学模型；步骤2）在matlab软件simulink环境下搭建直线电机pid控制器的仿真模型；步骤3）在仿真模型的基础上，利用衰减曲线法进行确定直线电机pid控制器的参数；步骤4）根据衰减曲线法计确定pid控制器参数，然后利用仿真模型分析系统响应曲线，若响应曲线不理想，则再利用试凑法进行微调，以取得较理想的响应曲线。所述步骤1）中的直线电机的数学模型的建立包括如下内容：电机驱动是现代工业机器人的一种主流驱动方式，而直线电机由于其适应非常高速和非常低速的应用，高加速度，高精度，无空回，磨损小，结构简单，无需减速机和齿轮丝杠联轴器等优点在工业机器人领域得到广泛应用。根据直线电机的运动特性和动态特性可知，直线电机微分方程为（1）其中，l为线圈电感，m为直线电机动子的总质量，k为弹簧的弹性刚度，c为阻尼系数，km为直线电机的力常数，r和l分别表示线圈回路电阻、线圈回路电感，ke为直线电机的反电动势系数，x(t)为输出量，u（t）为输入量。根据直线电机的动态模型结构图可得到直线电机位移与控制电压之间的传递函数为（2）其中，为直线电机位移，为控制电压，为线圈回路的电磁时间常数，s为拉普拉斯变换后的s域中的变量。式（2）即为直线电机用于分析其动态响应曲线的数学模型。所述步骤2）中在simulink环境下搭建仿真模型具体内容为：根据直线电机的参数值算出其具体的传递函数，然后添加输入信号模块，本设计选用幅值为1的阶跃信号，然后添加比例模块，积分模块，微分模块以及示波器等，最后再连接各模块。所述步骤3）具体内容为：41）将pid控制器变成比例控制器（即此时积分系数ki和微分系数kd的值取0，只调节比例系数kp），比例度δ（kp的倒数）取较大的值，给定值为阶跃函数，观察系统响应曲线的衰减情况。然后逐渐增加kp的值，知道衰减比为10：1，此时的比例度为δs(此时比例系数为kp•)，衰减周期为ts，如图1所示；42）根据δs和ts，按照表2进行计算；43）利用simulink建立的仿真模型，设置pid的参数，进行系统响应分析。所述41）中衰减比取10：1的具体内容为：如果纯比例调节系统不能完全调到10：1的状态，则应取大于10：1而不是偏小的值；所述步骤4）具体内容为：如果通过衰减曲线法确定好直线电机pid控制器参数后，其响应曲线的波动比较大，或其响应曲线的波动周期较长，则应通过试凑法进行微调。通过试凑法进行微调的具体内容为：系统响应曲线振动很频繁，比例度值要放大；系统响应曲线漂浮绕大弯，比例度值应减少；系统响应曲线偏离回复慢，积分时间往下降；系统响应曲线振荡周期长，积分时间再加长；系统响应曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。本发明的有益效果：1）本设计的方法简单，参数整定耗时短；2）本设计非常适用于工程应用，将衰减曲线法与试凑法结合并应用到工业机器人使用的直线电机pid控制器的设计中，可以取得较好地响应曲线；3）为工业机器人使用的直线电机pid控制器的设计提够一种较好的设计方案。附图说明下面结合附图对发明作进一步说明。图1是本发明实例的直线电机系统的pid控制仿真图。图2是本发明实例的kp=42000，ki=kd=0时系统响应曲线。图3是本发明实例的基于衰减曲线法得到的系统响应曲线。图4是本发明实例的系统响应的最终曲线。具体实施方式本实施案例的直线电机为一种短行程直线电机，其主要参数如表1。本方案的具体内容如下：一种工业机器人的直线电机pid控制器的设计，其特征是，包括如下步骤：步骤1）根据直线电机的运行特性及参数建立直线电机的数学模型，其中的直线电机的数学模型的建立包括如下内容：电机驱动是现代工业机器人的一种主流驱动方式，而直线电机由于其适应非常高速和非常低速的应用，高加速度，高精度，无空回，磨损小，结构简单，无需减速机和齿轮丝杠联轴器等优点在工业机器人领域得到广泛应用。根据直线电机的运动特性和动态特性可知，直线电机微分方程为（1）其中，l为线圈电感，m为直线电机动子的总质量，k为弹簧的弹性刚度，c为阻尼系数，km为直线电机的力常数，r和l分别表示线圈回路电阻、线圈回路电感，ke为直线电机的反电动势系数，x(t)为输出量，u（t）为输入量。根据直线电机的动态模型结构图可得到直线电机位移与控制电压之间的传递函数为（2）其中，为直线电机位移，为控制电压，为线圈回路的电磁时间常数，s为拉普拉斯变换后的s域中的变量。式（2）即为直线电机用于分析其动态响应特性的数学模型。根据表1所示参数，可以计算出，该短行程直线电机的传递函数为步骤2）在matlab软件simulink环境下搭建直线电机pid控制器的仿真模型。其中在simulink环境下搭建仿真模型具体内容为：根据直线电机的参数值算出其具体的传递函数，然后添加输入信号模块，本设计选用幅值为1的阶跃信号，然后添加比例模块，积分模块，微分模块以及示波器等，最后再连接各模块，如图1所示，为其仿真模型。步骤3）在仿真模型的基础上，利用衰减曲线法进行确定直线电机pid控制器的参数。具体内容为：31）将pid控制器变成比例控制器（即此时积分系数ki和微分系数kd的值取0，只调节比例系数kp），比例度δs（kp的倒数）取较大的值，给定值为阶跃函数，观察系统响应曲线的衰减情况。然后逐渐增加kp的值，知道衰减比为10：1，此时的比例度为δs(此时比例系数为kp•)，衰减周期为ts，如图2所示；32）根据δs和ts，按照表2进行计算；33）利用simulink建立的仿真模型，设置pid的参数，进行系统响应分析。衰减比取10：1的需注意：如果纯比例调节系统不能完全调到10：1的状态，则应取大于10：1而不是偏小的值。通过衰减曲线法得到各参数分别为：kp=42000，δs=1/kp=1/42000，ts=0.18125，ti=0.3×ts，td=0.1×ts。因此，ki=kp/ti=8400000，kd=kp×ti=42000。步骤4）根据衰减曲线法计确定的pid控制器参数，利用仿真模型分析系统响应曲线，若响应曲线不理想，则再利用试凑法进行微调，以取得较理想的响应曲线。具体内容为：如果通过衰减曲线法确定好直线电机pid控制器参数后，其响应曲线的波动比较大，或其响应曲线的波动周期较长，则应通过试凑法进行微调。图3为经过衰减曲线法得到的系统响应曲线，由图3可知，该系统响应曲线振动很频繁，且其振荡周期较长，因此，还需要进行试凑，进行微调。通过试凑法进行微调的具体内容为：系统响应曲线振动很频繁，比例度值要放大；系统响应曲线漂浮绕大弯，比例度值应减少；系统响应曲线偏离回复慢，积分时间往下降；系统响应曲线振荡周期长，积分时间再加长；系统响应曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。在衰减曲线法的基础上进行试凑以取得较好的响应曲线，最终得到直线电机pid参数为：kp=420000，ki=3000000，kd=75000。其最终的响应曲线如图4，由图4可知，该响应曲线较好，振荡不大。表1是本发明实例的直线电机的参数表1有效行程10mm磁感应强度0.591t线圈电感1.76mh线圈电阻1.9ω动子质量0.22kg线圈平均直径64mm弹簧系数5n/mm粘滞摩擦系数0.2n·m/s线圈匝数192表2是本发明实例的衰减曲线法数据表表2调节作用积分时间ti微分时间td比例积分0.5ts比例积分微分0.3ts0.1ts当前第1页12