《机器人控制》PPT课件

同样可得活塞位移X与配油器输入信号（位移误 差信号）U间的关系为：
编辑ppt
29
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统
据式（5.5）、（5.6）和图5.4可得系统的传递 函数:
编辑ppt
30
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统 当采用力矩电动机作为位移给定元件时
编辑ppt
43
5.2 机器人的位置控制
机器人为连杆式机械手，其动态特性具有高度的非线性。 要控制这种由马达驱动的操作机器人，用适当的数学方 程式来表示其运动是十分重要的。这种数学表达式就是 数学模型，或简称模型。控制机器人运动的计算机，运 用这种数学模型来预测和控制将要进行的运动过程。
式中，1很小而又可以忽略时
编辑ppt
31
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统 图5．5表示出一个简单的滑阀控制液压传动系统 的结构框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。
编辑ppt
32
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统
式中，c＝k1n为闭环系统的自然角振荡频率；
c k1 为闭环系统的阻尼系数：2 1 为k1闭环系统
的第二时间常数；另一时间常数为1。
式（5.25）即为所求闭环系统的传递函数。从此式 可见，此闭环系统为一等价三阶系统。我们往往把 它简化为一个一阶环节与一个二阶环节串联的系统。 这样，便于对系统进行分析与研究。
13
PID控制器参数整定的一般规律
• 先调节 Kp, 至系统出现振荡,设 此时比例增益为Kp’
• 取Kp = Kp’/2, 逐渐增大Ki,直至 出现振荡,记Ki’
• 取Ki=Ki’/3, 调节Kd, 直至获得满 意的系统特性
编辑ppt
14
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则 • 1．控制器分类
据液压传动原理，四通滑阀具有下列关系式
式中，Q1和Q2为控制滑阀的输出流量，即传动 活塞的输入控制流量；Ps为液压源压力；P1和P2 为油缸内两部分的液压；X为滑阀的输入位移； k1为增益。
编辑ppt
33
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统 令q1、q2、p1、p2和x表示在Q1、Q2、p1、p2和 X条件下某一稳态位置变量，则可得滑阀液流方 程
第五章 机器人控制
控制技术综述
• “控制”的目的 是使被控对象产生控制者 所期望的行为方式
• “控制”的基本条件是了解被控对象的
特性
输入X
被控对象的 模型
输出Y
目的
输入X
输出Y 编辑ppt
1
输入X
第五章 机器人控制
控制 器
被控对象 模型
输出Y
输入X
1/P
P
பைடு நூலகம்编辑ppt
输出Y
2
第五章 机器人控制
开环精确控制的条件：
编辑ppt
5
被控对象的特性（数学模型）不能完 全确定或完全不能确定的情况下，怎 么办？
以被控对象的实际输出构成某
种评价标准来修正控制器的输
入信号，以使对象的输出接近
期望值----闭环反馈控制
编辑ppt
6
输入X C
P
输出Y
最常用的评价标准就是输入与输 出（期望的输出与实际输出）之 间的偏差
编辑ppt
式中， QL为活塞漏损流量， M1为油缸左部所储
存的功能，而 dM1／dt则为功率变化。因为M1
＝P1V1，所以有
编辑ppt
35
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
令B表示流体的容体弹性模数，则
因为 dV1／dt＝AdY／dt，其中，Y为活塞的位 移，A为活塞左侧面积。代入式（5.15）得
编辑ppt
27
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统
当采用力矩伺服电动机作为位移给定元件时， 液压系统的方框如图 5．4所示。
编辑ppt
28
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统
在图5.4中，控制电流I与配油器输入信号U的 关系可由下列传递函数表示：
编辑ppt
22
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
对于直流电动机的伺服控制，我们将在位置控制等节 中仔细讨论。这里，对液压伺服控制系统加以分析。
液压传动机器人具有机构简单、机械强度高和速度 快等优点。这种机器人一般采用液压伺服控制阀和模拟 分解器实现控制和反馈。一些最新的液压伺服控制系统 还应用数字译码器和感觉反馈控制装置，因而其精度和 重复性通常与电气传动机器人相似。当在伺服阀门内采 用伺服电动机时，就构成电一液压伺服控制系统。
智能有关的所有可能问题：如词汇和自然语言理解、规
划的产生以及任务描述等。
编辑ppt
19
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则
• 3．主要控制层次
（2）第二级：控制模式级
在工业上一般不采用复杂的模型，而采用两种控制模型。 这些控制模型是以稳态理论为基础的，即认为机器人在 运动过程中依次通过一些平衡状态。这两种模型分别称 为几何模型和运动模型。前者利用X和Θ间的坐标变换， 后者则对几何模型进行线性处理，并假定X和Θ变化很 小。属于几何模型的控制有位置控制和速度控制等；属 于运动模型的控制有变分控制和动态控制等。
动系统的闭环函数G（S）编辑。ppt
40
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统 当反馈系数为1时，系统的简化结构图如图5．6所 示。
编辑ppt
41
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
因为：
联立得：
编辑ppt
42
5.l机器人的基本控制原则
编辑ppt
36
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
油缸的扰动方程如下
编辑ppt
37
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
式中，qL为漏损扰动流量
其中，Lm为油液的漏损系数。 在活塞推力作用下，负载的运动方程式为：
式中，m和mp分别为负载质量和活塞质量， b为粘 性摩擦系数。 联立以上方程，可得阀控编辑油ppt 缸的开环传递函数3为8 ：
7
+
输入X
-
C
P
输出Y
PID 控制、模糊控制等等
编辑ppt
8
智能化的控制方式
• 模糊控制 • 推理控制 • 学习控制 • 神经网络控制 • 模糊神经网络控制 • 专家控制
编辑ppt
9
PID控制
• PID控制的基本原理 • PID控制器参数对控制特性的影响 • 机器人单关节控制模型 • PID 控制器中关节非线性补偿
5.l机器人的基本控制原则
编辑ppt
17
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则 • 3．主要控制层次
图5．2表示机器人的
主要控制层次。从图可
见，它主要分为三个控
制级，即人工智能级、
控制模式级和伺服系统
级。现对它们进一步讨
论如下。
编辑ppt
18
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则
编辑ppt
10
出期 望 输
求差
比例环节 积分环节 微分环节
求和
被控对象
实际输出
PID控制器的基本原理
编辑ppt
11
PID参数对控制系统性能的影响
Kp--影响系统的响应速度，Kp越大，响应速度越快, 增大Kp可能会引起系统超调，甚至振荡和不稳定；
Ki--影响系统的静态精度，有利于消除系统的静态误 差，但Ki过大也可能会引起系统超调，甚至振荡和不 稳定；
Kd--影响系统的响应速度，通常可加快系统的稳定时 间，但微分环节也会把外部的干扰放大，微分作用过 强，可能会引起系统的振荡和不稳定；
编辑ppt
12
速设 定 目 标 转
求差
比例环节 积分环节 微分环节
计算机实现
求和
直 流 直流 放 伺服 大 电机
器
实际速度
用直流伺服电机实现的关节速度PID控制
编辑ppt
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
式中：n为自然振荡角频率，1为时间常数， 为阻尼系数。且：
编辑ppt
39
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
从式（5．22）可知，此系统的开环传递函数等价
于一积分环节与一个二阶环节的串联。再求整个传
• 2．主要控制变量
图5.1表示一台机器人的各关节控制变量。如果要抓起工 件A，那么就必须知道夹手在任何时刻相对于A的状态，包 括位置、姿态和开闭状态等。工件A的位置是由它所在工 作台的一组坐标轴给出的。这组坐标轴叫做任务轴。末端 执行装置的状态是由这组坐标轴的许多数值或参数表示的， 而这些参数是矢量X的分量。我们的任务就是要控制矢量X 随时间变化的情况，即X（t），它表示末端执行装置在空 间用的矢实量时（位t置）。来只表有示当关关节节变编量辑1p至pt 至6移 动。时，X才变化。16我们
编辑ppt
23
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
1．液压缸伺服传动系统
采用液压缸作为液压传动系统的动力元 件，能够省去中间动力减速器，从而消除了齿 隙和磨损问题。加上液压缸的结构简单、比较 便宜，因而使它在工业机器人机械手的往复运 动装置和旋转运动装置上都获得广泛应用。
编辑ppt
编辑ppt
20
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则
• 3．主要控制层次
（3）第三级：伺服系统级
第三级所关心是机器人的一般实际问题。我们将在 本节后一部分举例介绍机器人伺服控制系统。在此，必 须指出下列两点：
①控制第一级和第二级并非总是截然分开的。是否 把传动机构和减速齿轮包括在第二级，更是一个问题。 这个问题涉及解决下列问题
式中，c1为液流增益或灵敏度，c2为液流压力系
数。它们可由稳态工作点求得。
编辑ppt
34
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统 从图5.5可知，P1和V1分别表示油缸左部的压力 和体积，P2和V2则表示油缸右部的压力和体积。 据图5.5可列出油缸左部的功能守恒表达式
VT
V T C
编辑ppt
21
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则
• 3．主要控制层次
当前的趋向是研究具有组合减速齿轮的电动机，它 能直接安装在机器人的关节上。不过，这样做的结果又 产生惯性力矩和减速比的问题。这是需要进一步解决的。
②一般的伺服系统是模拟系统，但它们已越来越普遍 地为数字控制伺服系统所代替。
的控制信号由三个信号叠加而成。主反馈回路
（外环）
编辑ppt
25
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
编辑ppt
26
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
1．液压缸伺服传动系统
由位移传感器把位移反馈信号送至比较元件， 与给定位置信号比较后得到误差信号，经校正 后再与另两个反馈信号比较。第二个反馈信号 是由速度反馈回路（速度环）取得的。它包括 速度传感器和校正元件。第三个反馈信号是加 速度反馈，它是由液压缸中的压力传感器和校 正元件实现的。
24
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
1．液压缸伺服传动系统
为了控制液压缸或液压马达，在机器人传动系
统中使用惯量小的液压滑阀，应用在电一液压
随动系统中的滑阀装有正比于电信号的位移量
电一机变换器。图5.3就是这种系统的一个方
案。其中，机器人的执行机构由带滑阀的液压
缸带动，并用放大器控制滑阀。放大器输入端
• 3．主要控制层次
（1）第一级：人工智能级
如果命令一台机器人去“把工件A取过来”，那么
如何执行这个任务呢；首先必须确定，该命令的成功执
行至少是由于机器人能为该指令产生矢量X（t）。X（t）
表示末端执行装置相对工件A的运动。它还表示机器人
所具有的指令和产生矢量X（t）以及这两者间的关系，
是建立第一级（即最高级）控制的工作。它包括与人工
本节将讨论工业机器人常用控制器的基本控制原 则及控制器的设计问题。从关节（或连杆）角度 看，可把工业机器人的控制器分为单关节（连杆） 控制器和多关节（连杆）控制器两种。对于前者， 设计时应考虑稳态误差的补偿问题；对于后者， 则应首先考虑耦合惯量的补偿问题。
编辑ppt
15
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则
• 精确地知道被控对象的模型，并且这一 模型在控制过程中保持不变
编辑ppt
3
如果被控对象的模型能够精 确知道，但模型是变化的， 怎么办？
如果模型的变化 是可以预测的
X 1/ P（T） P（T）
如果模型的变化 是可以实时辩识 的
Y
开环预测控制
编辑ppt
4
辨识器
X
1/ P（T）
P（T）
Y
开环辨识控制