第三章_机械手的控制.ppt

第三章 机械手的控制 本章将介绍机械手控制的基本概念。 首先说明机器人系统的组成和系统具有的运动控制机能的意义。 其次说明为表示控制对象的输入输出特性及控制方法所用的传递函数及方框图。 再利用这些知识介绍机器人等控制运动中广泛应用的PID控制，并且对控制机械手手爪位置的方法加以说明。 最后说明机械手手爪同外不接触时控制手爪力的办法。 §3.1机器人系统的组成 以右图来说明：机器人系统一般由结构运动部分（机器人机构，如手机构、移动机构）和控制部分，即控制器组成（可移动，也可固定） 机器人控制系统的机能： 1）产生操作动作的运动控制机能 2)示教目标手爪轨迹和目标手爪力的动作示教机能 3）设定各种参数并表示运动状态，异常情况停机设定、以及维护机能。 机器人系统硬件的构成 §3.2传递函数和方框图 3.2.1传递函数 控制对象的动作和控制规律用时间的微分方程式来表示。微分方程的阶数越高求解越复杂，通常把微分方程式变换成复数拉普拉斯算子S来表示，其变换称为拉普拉斯变换。描述控制对象输入和输出关系的微分方程式进行拉氏变换后，求得输入输出表达式称为传递函数。 传递函数 以一阶系统和二阶系统来说明 例1 试求图3.3的RC电路的传递函数 解：基本公式 传递函数 进行拉氏变换的 传递函数 例3.2试求图3.5所示的质量、弹簧、阻尼器系统的传递函数和阶跃相应。 解：作用于质量m上的力f和位置x的关系为： 进行拉氏变换 例3.3直流伺服电机的传递函数：各个参数符号如下， 3.2.2方框图 方框图是在方框内写出控制元件的传递函数，并由表示信号流向的箭头线段连接起来表示其传递关系，其基本单元有三种。 传递方框图示例 传递框图的合成和分解：(适应线性单输入输出系统) 方框图的等价变换 例：直流电机的控制方程变换 3.3 PID控制 PID控制就是利用控制量与目标值的偏差的比例值P（proportional),微分值D(derivative)，积分值I(integal)来进行控制，如果用e=(r-y)表示偏差，则PID控制变为 PID控制的传递函数 PID控制方框图 PID控制的评价 PID控制的一种评价方法是对控制变量随时间变化的响应的波形提出评价指标，Td和Tr表示响应的快慢，Tp和P表示超调时间和超调量，Ts表示调整时间，根据控制对象的不同需要对不同的参数机型调整。 3.3.2实用的PID控制 这里举出作为实用PID控制的P-D和I-PD控制来说明控制规律的内容和决定反馈增益的方法。图中c1 c2充当控制规律的传递函数。 1、微分超前型P-D控制 微分超前型P-D控制 当目标值成阶跃函数变化时，直接用偏差的微分值是不恰当的，因此，仅采用微分动作作为控制变量的结构应予考虑。 微分超前型P-D控制 例3.3图中G(s）＝K/s(Ts+1),试求控制系统的闭环传递函数Gc(s)=qm(s)/qmd(s),并把者各传递函数表示成标准二阶系统的传递函数 微分超前型P-D控制 解：根据题意有 微分超前型P-D控制 可解出 (2)I-PD控制 P-D控制对于摩擦力较大的系统会残留有稳态偏差，这时需要I动作，I动作是只要有偏差，其积分值就变大。但当目标函数值按阶跃函数变化时，由于p动作会使操作量的分量也随阶跃函数状态变化，这会引起控制对象的振动。解决办法是用I-PD控制，其控制规律如下 I-PD控制 方框图 如果控制对象为二阶系统，则控制传递函数为标准三阶系统（推导见习题4） 3.4机械手的位置控制 3.4.1手爪位置控制 （1）使用逆运动学和关节角控制的方法 使用p-D控制的控制方程为： 要求rd 检测q,操作变量τ 控制方框图如下，控制量是关节角q, 操作量是驱动力τ，q跟踪qd时，r跟踪rd,多数情况下输入输出及式3.39的计算在1ms内完成。 （2）注重静力学关系式的方法 其控制方框图见下图注重手爪复原力的手爪位置控制规律，控制变量是手爪位置r, 检测量q, 操作量为驱动力τ,希望控制途径F 用这种方法，用3.42算出假象手爪力F,用3.41把它分解为τ，通过编码器测出q,用3.43,3.44算出r,r1，一般不直接测r,r1 3.4.2 动态控制 这里介绍有关节变量的线性补偿器和司服补偿器构成的动态控制规律 机器人的运动方程式可考虑为; 控制系统的特点 把3.46带入3.45式在估算值为真值的情况下 通过利用运动学的关系式，也可以构成与手爪位置有关的动态控制 3.5机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制 狭义的力控制是把力作控制变量的控制方案，不过这里是以调节力动作的控制法，广义地解释力控制，下面对阻抗控制加以说明 所谓阻抗控制，见下图，相对外力产生手爪位移的难易程度（机械阻抗），通过控制使其达到期望状