6自由度控制算法

由于六自由度位置姿态调整平台动力学特性和串联机器人是相通的,所以可以借鉴。增强型PD控制器,这种控制器是在一个线性PD控制的基础上加上沿期望轨迹计算的名义动力学前馈部分以及一个非线性补偿部分,它的最大优点是可以根据规划好的期望轨迹离线计算前馈补偿部分,从而降低实时计算的计算量。计算力矩控制方法,它通过计算力矩的方式控制非线性系统沿期望轨迹运动,如果机器人动力学模型是准确的,计算力矩控制器可以实现动态解耦,并得到一个指数稳定的闭环动力方程,从而实现跟踪误差的指数收敛。

在并联机器人的控制策略中,除了常用的PID控制之外,还有自适应控制，滑模变结构控制，鲁棒控制以及智能控制等控制方法。

基于滑模控制的方法

在具有不确定性的系统的研究和应用中，滑模控制一直是一个非常有效的控制方法。滑模控制也叫变结构控制，其本质是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”不是一成不变的，而是可根据系统当前的状态有目的地不断变化。对于具有信号传输时延的交互控制遥操作系统，也可以应用滑模控制来实现。只要知道时延大小，滑模控制就可以实现变时延情况下的遥操作系统的稳定控制。由于滑动模态与系统对象参数及扰动无关，因此滑模控制具有响应快、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。

鲁棒控制

由于遥操作系统中操作对象的不确定性，以及操作任务的实时变化，导致遥操作系统的特性和参数随工作状态和工作环境的变化而变化，这样就无法得到精确的描述遥操作系统特性的数学模型，给控制系统的设计带来困难。鲁棒控制设计的目标就是在模型不精确和存在其他变化因素的条件下，使系统仍能保持预期的性能。因此鲁棒控制在遥操作系统中发挥了巨大作用，它较大程度地消除了主观上认识的模型和真实的被控对象之间的误差和不确定性。

基于干扰观测器(DOB)的鲁棒运动控制方法由Ohnishi提出,目前广泛应用于各类电动高精度机械伺服系统"干扰观测器设计基于被控对象的开环数学模型,其基本思想是将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异,统统等效到控制输入端,即观测出等效干扰,在控制中引入等量的补偿,实现对各种干扰的完全抑制,同时还可以减弱非线性环节对伺服系统性能的影响,具有很强的鲁棒性。

六自由度并联平台运动控制器的设计可以分为基于铰接空间控制和基于工作空间控制两大类。

基于铰接空间的控制器设计主要依靠平台机构的运动学关系和驱动装置的动态模型,而不考虑六自由度平台的动力学模型,它假设六个液压缸是独立、无耦合的关系,对每个液压伺服系统分别设计控制器而不用考虑其它关节的影响,这就使得并联平台的控制器设计任务转化为一系列单轴伺服系统的控制器设计。

基于工作空间的控制器设计则需要进行平台动力学分析,建立整个并联平台系统的动力学模型,在给定了平台期望的运动轨迹后,求出按照期望轨迹运动所需的力或力矩,然后控制各个液压伺服系统的驱动装置输出所求出的力或力矩,从而使平台按照期望轨迹运动。

常规PID控制

常规PID目前是最常用的工业控制方法，PID控制器各校正环节的作用

如下:

比例环节:比例控制是用常数乘以误差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生作用,以减少偏差。比例控制器实质是一个具有可调增益的放大器,在信号变换过程中,比例控制器只是改变信号的增益而不影响其相位。

积分环节:积分控制的作用是产生一个与误差信号对时间的积分成正比的信号,主要用于消除静差,积分作用的强弱取决于积分常数界,界越大,积分作用越弱,反之则越强。

微分环节:能反应输入信号的变化趋势,产生有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间,有助于系统动态性能的改善。

铰点空间 PID 控制

基本原理

并联机构最常用的控制策略是基于铰点空间的 PID 控制，这种控制方法对并联机构的各个单通道分别设计 PID 控制器，即分别控制各驱动器完成各自的动作，驱动并联机构动平台实现各种位姿。对于电动驱动的并联机构来说，铰点空间PID 控制策略的控制结构如图 4-1 所示。

各个通道均具有独立的 PID 控制器，每一个控制器只负责该通道的闭环控制。在并联机构不同的运动状态下，各驱动器的负载特性是时变和相互耦合的，而此控制策略的控制器参数一般不能精确反映不断变化的负载特性，带有一定的近似性。然而在很多场合下，相对电动系统驱动能力来说负载特性变化不大，铰点空间 PID 控制还是能够充分发挥其结构简单、调试方便的特点，因此在工程上铰点空间 PID 控制应用是最广泛的。

铰点空间控制器设计时一个基本的出发点是：通过提高各单通道系统的性能，以便提高并联机构的位姿响应性能。由该控制结构可见，各个通道之间具有相对独立性，并在动平台处形成相互作用。图 4-1 中还凸显了铰点空间控制策略的另一个特点，即虽然各驱动器是闭环控制的，但从位姿输入 qi到位姿输出 qo实际是一种开环控制。开环意味着无法将实际的位姿误差重新引入控制系统进行修正。这样，在系统的运动过程中动平台的位姿精度取决于驱动器系统的跟踪精度以及系统机械结构的加工精度，因此要想进一步提高平台的性能，必须在PID 控制器的基础上想方设法改善各路电动控制系统的响应特性。

工作空间计算力矩控制

基本原理

基于铰点空间的 PID 控制是一种基于运动学的控制方法，它不需要并联机构的动力学模型，因此实现起来比较容易。但是，并联机构的动力学模型表明，各路电动缸驱动器之间是相互耦合的。若想进一步提高系统动态特性，并减小各个自由度之间的耦合作用，有必要采用基于动力学模型的控制策略。基于并联机构动力学模型的控制方法有很多种，但是绝大多数都是以计算力矩控制结构为基础。计算力矩控制是一种基于模型的控制方法，利用并联机构动力学模型实现线性化和解耦。

Turbo PMAC可编程多轴运动控制器,是世界上功能最强的运动控制器之一,具有响应速度快,精度高,开发周期短,编程和操作简单的特点,发达国家广泛运用于机器人和数控机床等多轴控制的高精度伺服装置上。

GDS系列直流伺服驱动器是针对雷达天线，火控系统，精密测试转台等军用自动化设备开发的新一代伺服驱动器,它功率部分采用最新IGBT或IMP模块,在高速电流伺服单元和速度伺服单元的控制下,实现更高精度,更快响应的伺服控制。为适应现代军用装备的发展要求,GDS系列进行了更加严格的电磁兼容性设计及可靠性研究,实现了全方位的自我保护,如欠压、过压、缓上电、过流、超载、超温、电机漏电、控制超差、上下限位、系统泵能泄放等保护。

检修机器人的基本控制结构如图3.1所示,Turbo PMAC自动闭合所有活动的电机的数字伺服环,实现位置环控制,产生一个反馈,使得电机的实际位置逼近所要求的位置的输出。它的效果依靠伺服滤波器的调节、参数的设置、和被控物理对象系统的动力学性能。电机速度闭环由驱动器完成。速度环调节是通过驱动器自身的数字面板调整其参数实现的。

本系统选择美国DelatTua公司的Turbo PMAC CPI多轴运动控制卡作为关节伺服控制的主控制器

Turbo PMAC是美国DelatTau公司在PMAC的基础上推出的基于工业CP和WindowS 操作系统的开放式多轴运动控制器,采用了更高速度的DSP563OO系列数字信号处理器,提供全新的高性能技术和WindwoS平台,满足用户在运动控制各个领域的需要。Turbo PMAC可同时控制1一32个轴,实现多轴联动控制,Turbo PMAC既可单独执行存储于控制器内部的程序,也可执行运动程序和PLC程序。它可以自动对任务优先级进行判别,从而进行实时多任务处理。同PMAC系列多轴运动控制器相比,Turbo PMAC除运算速度和内存增加外,还增加了新控制特性,主要有:先进的加速超前预测,内建的正向运动学和逆向运动学计算能力,三维刀具半径补偿功能,在线改变运动目标,多端口连续通讯,为每个电动机制定正弦转换表,可单独选择电动机的PID伺服控制算法或使用外部定义的算法,大大增加了同步M 变量缓冲区,为每个坐标系设置两个伺服速率定时器,运动轨迹反求能力。其中,正向/逆向运动学计算功能和伺服控制算法定义功能,体现了Turbo PMAC运动平台在面向用户的开放性方面向前跨了一大步,使用户能灵活地在该平台上配置自己的运动算法,快速开发复杂数控系统的应用产品。

伺服系统的检测元件

轴角传感器种类很多,如光电编码器,旋转变压器,感应同步器,电位计,接触式编码器等"旋转变压器是一种高可靠性!高精度且具有绝对位置输出的角度传感器,其特点是结构简单,稳定性好,抗干扰能力强,易于数字化,因此广泛应用于工业自动化和国防军事领域。

六自由度一体式坦克模拟器控制系统设计