機器人技術(shù)6講控制.ppt

1、第五章 機器人控制,控制技術(shù)綜述,“控制”的目的 是使被控對象產(chǎn)生控制者所期望的行為方式 “控制”的基本條件是了解被控對象的特性,輸入X,被控對象的模型,輸出Y,目 的,第五章 機器人控制,第五章 機器人控制,開環(huán)精確控制的條件：,精確地知道被控對象的模型，并且這一模型在控制過程中保持不變,如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？,辨識器,開環(huán)辨識控制,以被控對象的實際輸出構(gòu)成某種評價標準來修正控制器的輸入信號，以使對象的輸出接近期望值-閉環(huán)反饋控制,被控對象的特性（數(shù)學(xué)模型）不能完全確定或完全不能確定的情況下，怎么辦？,最常用的評價標準就是輸入與輸出（期望的輸出與實際輸出）之

2、間的偏差,P,輸入X,輸出Y,C,+,-,PID 控制、模糊控制等等,智能化的控制方式,模糊控制 推理控制 學(xué)習(xí)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 專家控制,PID控制,PID控制的基本原理 PID控制器參數(shù)對控制特性的影響 機器人單關(guān)節(jié)控制模型 PID 控制器中關(guān)節(jié)非線性補償,PID控制器的基本原理,PID參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響,Kp-影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Kp越大，響應(yīng)速度越快,增大Kp可能會引起系統(tǒng)超調(diào)，甚至振蕩和不穩(wěn)定；,Ki-影響系統(tǒng)的靜態(tài)精度，有利于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，但Ki過大也可能會引起系統(tǒng)超調(diào)，甚至振蕩和不穩(wěn)定；,Kd-影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通?？杉涌煜到y(tǒng)的穩(wěn)定時間，但微分環(huán)

3、節(jié)也會把外部的干擾放大，微分作用過強，可能會引起系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定；,直流伺服電機,比例環(huán)節(jié),積分環(huán)節(jié),微分環(huán)節(jié),求和,求差,設(shè)定目標轉(zhuǎn)速,計算機實現(xiàn),用直流伺服電機實現(xiàn)的關(guān)節(jié)速度PID控制,直流放大器,實際速度,PID控制器參數(shù)整定的一般規(guī)律,先調(diào)節(jié) Kp, 至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,設(shè)此時比例增益為Kp 取Kp = Kp/2, 逐漸增大Ki,直至出現(xiàn)振蕩,記Ki 取Ki=Ki/3, 調(diào)節(jié)Kd, 直至獲得滿意的系統(tǒng)特性,5.l機器人的基本控制原則,1控制器分類,5.1.1 基本控制原則,本節(jié)將討論工業(yè)機器人常用控制器的基本控制原則及控制器的設(shè)計問題。從關(guān)節(jié)（或連桿）角度看，可把工業(yè)機器人的控制器分為單

4、關(guān)節(jié)（連桿）控制器和多關(guān)節(jié)（連桿）控制器兩種。對于前者，設(shè)計時應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補償問題；對于后者，則應(yīng)首先考慮耦合慣量的補償問題。,5.l機器人的基本控制原則,2主要控制變量,5.1.1 基本控制原則,圖5.1表示一臺機器人的各關(guān)節(jié)控制變量。如果要抓起工件A，那么就必須知道夾手在任何時刻相對于A的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開閉狀態(tài)等。工件A的位置是由它所在工作臺的一組坐標軸給出的。這組坐標軸叫做任務(wù)軸。末端執(zhí)行裝置的狀態(tài)是由這組坐標軸的許多數(shù)值或參數(shù)表示的，而這些參數(shù)是矢量X的分量。我們的任務(wù)就是要控制矢量X隨時間變化的情況，即X（t），它表示末端執(zhí)行裝置在空間的實時位置。只有當(dāng)關(guān)節(jié)1至6移動時，

5、X才變化。我們用矢量（t）來表示關(guān)節(jié)變量1至6。,5.l機器人的基本控制原則,5.l機器人的基本控制原則,3主要控制層次,5.1.1 基本控制原則,圖52表示機器人的主要控制層次。從圖可見，它主要分為三個控制級，即人工智能級、控制模式級和伺服系統(tǒng)級?，F(xiàn)對它們進一步討論如下。,5.l機器人的基本控制原則,3主要控制層次,5.1.1 基本控制原則,（1）第一級：人工智能級 如果命令一臺機器人去“把工件A取過來”，那么如何執(zhí)行這個任務(wù)呢；首先必須確定，該命令的成功執(zhí)行至少是由于機器人能為該指令產(chǎn)生矢量X（t）。X（t）表示末端執(zhí)行裝置相對工件A的運動。它還表示機器人所具有的指令和產(chǎn)生矢量X（t）以及

6、這兩者間的關(guān)系，是建立第一級（即最高級）控制的工作。它包括與人工智能有關(guān)的所有可能問題：如詞匯和自然語言理解、規(guī)劃的產(chǎn)生以及任務(wù)描述等。,5.l機器人的基本控制原則,3主要控制層次,5.1.1 基本控制原則,（2）第二級：控制模式級 在工業(yè)上一般不采用復(fù)雜的模型，而采用兩種控制模型。這些控制模型是以穩(wěn)態(tài)理論為基礎(chǔ)的，即認為機器人在運動過程中依次通過一些平衡狀態(tài)。這兩種模型分別稱為幾何模型和運動模型。前者利用X和間的坐標變換，后者則對幾何模型進行線性處理，并假定X和變化很小。屬于幾何模型的控制有位置控制和速度控制等；屬于運動模型的控制有變分控制和動態(tài)控制等。,5.l機器人的基本控制原則,3主要控

7、制層次,5.1.1 基本控制原則,（3）第三級：伺服系統(tǒng)級 第三級所關(guān)心是機器人的一般實際問題。我們將在本節(jié)后一部分舉例介紹機器人伺服控制系統(tǒng)。在此，必須指出下列兩點： 控制第一級和第二級并非總是截然分開的。是否把傳動機構(gòu)和減速齒輪包括在第二級，更是一個問題。這個問題涉及解決下列問題,5.l機器人的基本控制原則,3主要控制層次,5.1.1 基本控制原則,當(dāng)前的趨向是研究具有組合減速齒輪的電動機，它能直接安裝在機器人的關(guān)節(jié)上。不過，這樣做的結(jié)果又產(chǎn)生慣性力矩和減速比的問題。這是需要進一步解決的。 一般的伺服系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)，但它們已越來越普遍地為數(shù)字控制伺服系統(tǒng)所代替。,5.l機器人的基本控制原則

8、,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,對于直流電動機的伺服控制，我們將在位置控制等節(jié)中仔細討論。這里，對液壓伺服控制系統(tǒng)加以分析。 液壓傳動機器人具有機構(gòu)簡單、機械強度高和速度快等優(yōu)點。這種機器人一般采用液壓伺服控制閥和模擬分解器實現(xiàn)控制和反饋。一些最新的液壓伺服控制系統(tǒng)還應(yīng)用數(shù)字譯碼器和感覺反饋控制裝置，因而其精度和重復(fù)性通常與電氣傳動機器人相似。當(dāng)在伺服閥門內(nèi)采用伺服電動機時，就構(gòu)成電一液壓伺服控制系統(tǒng)。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,1液壓缸伺服傳動系統(tǒng) 采用液壓缸作為液壓傳動系統(tǒng)的動力元件，能夠省去中間動力減速器，從而消除了齒隙和磨損問題。加上液壓缸的結(jié)構(gòu)簡單、比較便

9、宜，因而使它在工業(yè)機器人機械手的往復(fù)運動裝置和旋轉(zhuǎn)運動裝置上都獲得廣泛應(yīng)用。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,1液壓缸伺服傳動系統(tǒng) 為了控制液壓缸或液壓馬達，在機器人傳動系統(tǒng)中使用慣量小的液壓滑閥，應(yīng)用在電一液壓隨動系統(tǒng)中的滑閥裝有正比于電信號的位移量電一機變換器。圖5.3就是這種系統(tǒng)的一個方案。其中，機器人的執(zhí)行機構(gòu)由帶滑閥的液壓缸帶動，并用放大器控制滑閥。放大器輸入端的控制信號由三個信號疊加而成。主反饋回路（外環(huán)）,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,1液壓缸伺服傳動系統(tǒng) 由位移傳感器把位移

10、反饋信號送至比較元件，與給定位置信號比較后得到誤差信號，經(jīng)校正后再與另兩個反饋信號比較。第二個反饋信號是由速度反饋回路（速度環(huán)）取得的。它包括速度傳感器和校正元件。第三個反饋信號是加速度反饋，它是由液壓缸中的壓力傳感器和校正元件實現(xiàn)的。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,2電一液壓伺服控制系統(tǒng) 當(dāng)采用力矩伺服電動機作為位移給定元件時，液壓系統(tǒng)的方框如圖 54所示。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,2電一液壓伺服控制系統(tǒng) 在圖5.4中，控制電流I與配油器輸入信號U的關(guān)系可由下列傳遞函數(shù)表示：,同樣可得活塞位移X與配油器輸入信號（位移誤差信號）U間的關(guān)

11、系為：,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,2電一液壓伺服控制系統(tǒng),據(jù)式（5.5）、（5.6）和圖5.4可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù):,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,2電一液壓伺服控制系統(tǒng),當(dāng)采用力矩電動機作為位移給定元件時,式中，1很小而又可以忽略時,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),圖55表示出一個簡單的滑閥控制液壓傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中所用的控制閥為四通滑閥。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),據(jù)液壓傳動原理，四通滑閥具有下列關(guān)系式,式中，Q1和Q2為控制滑閥

12、的輸出流量，即傳動活塞的輸入控制流量；Ps為液壓源壓力；P1和P2為油缸內(nèi)兩部分的液壓；X為滑閥的輸入位移；k1為增益。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),令q1、q2、p1、p2和x表示在Q1、Q2、p1、p2和X條件下某一穩(wěn)態(tài)位置變量，則可得滑閥液流方程,式中，c1為液流增益或靈敏度，c2為液流壓力系數(shù)。它們可由穩(wěn)態(tài)工作點求得。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),從圖5.5可知，P1和V1分別表示油缸左部的壓力和體積，P2和V2則表示油缸右部的壓力和體積。據(jù)圖5.5可列出油缸左部的功能守恒表達式,式

13、中， QL為活塞漏損流量， M1為油缸左部所儲存的功能，而 dM1dt則為功率變化。因為M1P1V1，所以有,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),令B表示流體的容體彈性模數(shù)，則,因為 dV1dtAdYdt，其中，Y為活塞的位移，A為活塞左側(cè)面積。代入式（5.15）得,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),油缸的擾動方程如下,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),式中，qL為漏損擾動流量,其中，Lm為油液的漏損系數(shù)。 在活塞推力作用下，負載的運動方程式為：,式中，m和m

14、p分別為負載質(zhì)量和活塞質(zhì)量， b為粘性摩擦系數(shù)。 聯(lián)立以上方程，可得閥控油缸的開環(huán)傳遞函數(shù)為：,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),式中：n為自然振蕩角頻率，1為時間常數(shù)，為阻尼系數(shù)。且：,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),從式（522）可知，此系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)等價于一積分環(huán)節(jié)與一個二階環(huán)節(jié)的串聯(lián)。再求整個傳動系統(tǒng)的閉環(huán)函數(shù)G（S）。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),當(dāng)反饋系數(shù)為1時，系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)圖如圖56所示。,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺

15、服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),因為：,聯(lián)立得：,5.l機器人的基本控制原則,5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例,3滑閥控制液壓傳動系統(tǒng),式中，ck1n為閉環(huán)系統(tǒng)的自然角振蕩頻率； 為閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)： 為閉環(huán)系統(tǒng)的第二時間常數(shù)；另一時間常數(shù)為1。 式（5.25）即為所求閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。從此式可見，此閉環(huán)系統(tǒng)為一等價三階系統(tǒng)。我們往往把它簡化為一個一階環(huán)節(jié)與一個二階環(huán)節(jié)串聯(lián)的系統(tǒng)。這樣，便于對系統(tǒng)進行分析與研究。,5.2 機器人的位置控制,機器人為連桿式機械手，其動態(tài)特性具有高度的非線性。要控制這種由馬達驅(qū)動的操作機器人，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程式來表示其運動是十分重要的。這種數(shù)學(xué)表達式就是數(shù)學(xué)

16、模型，或簡稱模型?？刂茩C器人運動的計算機，運用這種數(shù)學(xué)模型來預(yù)測和控制將要進行的運動過程。 由于機械零部件比較復(fù)雜，例如，機械部件可能因承受負載而彎曲，關(guān)節(jié)可能具有彈性以及機械摩擦（它是很難計算的）等等，所以在實際上不可能建立起準確的模型一般采用近似模型。盡管這些模型比較簡單，但卻十分有用。,5.2 機器人的位置控制,在設(shè)計模型時，提出下列兩個假設(shè)： （1）機器人的各段是理想剛體，因而所有關(guān)節(jié)都是理想的，不存在摩擦和間隙。 （2）相鄰兩連桿間只有一個自由度，要么為完全旋轉(zhuǎn)的要么是完全平移的。,5.2 機器人的位置控制,l傳遞函數(shù)與等效方框圖,5.2.1 直流傳動系統(tǒng)的建模,在研究機械手的位置控

17、制器之前，首先建立直流電動機伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。,圖57表示具有減速齒輪和旋轉(zhuǎn)負載的直流電動機工作原理圖。,5.2 機器人的位置控制,5.2.1 直流傳動系統(tǒng)的建模,5.2 機器人的位置控制,5.2.1 直流傳動系統(tǒng)的建模,5.2 機器人的位置控制,5.2.1 直流傳動系統(tǒng)的建模,2 直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)整 圖5.10表示一個勵磁控制直流電動機的閉環(huán)位置控制結(jié)構(gòu)圖。,5.2 機器人的位置控制,5.2.1 直流傳動系統(tǒng)的建模,從穩(wěn)定性和精度的觀點看，要獲得滿意的伺服傳動性能，必須在伺服電路內(nèi)引入補償網(wǎng)絡(luò)。,5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu),1基本控制結(jié)構(gòu) 許多機器人的作業(yè)是控制機械手末端工具的位

18、置和姿態(tài)，以實現(xiàn)點到點的控制(如搬運、點焊機器人)或連續(xù)路徑的控制（如弧焊、噴漆機器人）。因此實現(xiàn)機器人的位置控制是機器人的最基本的控制任務(wù),5.2 機器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu),機器人位置控制有時也稱位姿控制或軌跡控制。對于有些作業(yè)，如裝配、研磨等，只有位置控制是不夠的還需要力控制。 機器人的位置控制結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，即關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)和直角坐標空間控制結(jié)構(gòu)，分別見圖5.11（a）和（b）所示。,5.2 機器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu),5.2 機器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu),運行中的工業(yè)機器人一般采用圖5.11(a)所示控制結(jié)構(gòu)。該控

19、制結(jié)構(gòu)的期望軌跡是關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度，因而易于實現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制。這種控制結(jié)構(gòu)的主要問題是：由于往往要求的是在直角坐標空間的機械手末端運動軌跡，因而為實現(xiàn)軌跡跟蹤，需將機械手末端的期望軌跡經(jīng)逆運動學(xué)計算變換為在關(guān)節(jié)空間表示的期望軌跡。,5.2 機器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu),2 PUMA機器人的伺服控制結(jié)構(gòu) 機器人控制器一般均由計算機來實現(xiàn)。計算機的控制結(jié)構(gòu)具有多種形式，常見的有集中控制、分散控制和遞階控制等。圖5.12表示PUMA機器人兩級遞階控制的結(jié)構(gòu)圖。 機器人控制系統(tǒng)以機器人作為控制對象，它的設(shè)計方法及參數(shù)選擇，仍可參照一般計算機控制系統(tǒng)。不過，用得較多的仍是連

20、續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法，即首先把機器人控制系統(tǒng)當(dāng)作連續(xù)系統(tǒng)進行設(shè)計，然后將設(shè)計好的控制規(guī)律離散化，最后由計算機來加以實現(xiàn)；,5.2 機器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu),5.2 機器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu),現(xiàn)有的工業(yè)機器人大多采用獨立關(guān)節(jié)的PID控制。圖5.12所示PUMA機器人的控制結(jié)構(gòu)即為一典型。然而，由于獨立關(guān)節(jié)PID控制未考慮被控對象（機器人）的非線性及關(guān)節(jié)間的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。,5.2 機器人的位置控制,5.2.3單關(guān)節(jié)位置控制器 采用常規(guī)技術(shù)，通過獨立控制每個連桿或關(guān)節(jié)來設(shè)計機器人的線性反饋控制器是可能的。重力以及各關(guān)節(jié)間的互相作用力的影響，可由預(yù)先計算好的前饋來消除。為了減少計算工作量