机器人控制教学案例

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
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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。
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。
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。
+
输入X
-
C
P
输出Y
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 • 学习控制 • 神经网络控制 • 模糊神经网络控制 • 专家控制
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
期 望 输 求差 出
5.l机器人的基本控制原则
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。
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
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；
设
定
目
标 转
求差
速
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
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
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
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。
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
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
输出Y
第五章 机器人控制
开环精确控制的条件：
• 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
（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 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。
5.l机器人的基本控制原则
5.1.1 基本控制原则
• 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 间的实来自百度文库位置。只有当关节1至6移动时，X才变化。我 们用矢量（t）来表示关节变量 至 。
VT
V T C
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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。
辨识器
X
1/ P（T）
P（T）
Y
开环辨识控制
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
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
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
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；