机器人应用5讲解.ppt

2．位置和速度反馈增益的确定 对于一个二阶系统的特征方程具有以下标准形式： 为了安全起见，我们希望系统具有临界阻尼或过阻尼，即要求系统的阻尼比ξ≥1 ，可得， 系统的阻尼比 系统的无阻尼自然频率 由闭环系统的特征方程可得 在确定位置反馈增益时，必须考虑操作臂的结构刚性和共振频率，它与操作臂的结构、尺寸、质量分布和制造装配质量有关。 在确定位置反馈增益 时，必须考虑操作臂的结构刚性和共振频率 因此速度反馈增益 令关节的等效刚度为 ，则恢复力矩为 ，它与电机的惯性力矩相平衡，得微分方程 系统结构的共振频率为 因为在建立控制系统模型时，没有将结构的共振频率 考虑进去，所以把它称为非模型化频率。一般来说，关节的等效刚度 大致不变，但是等效惯性矩 随末端手爪中的负载和操作臂的姿态而变化。如果 在已知的惯性矩之下测出的结构共振频率为 ，则在其它惯性矩 时的结构共振频率为 为了不至于激起结构的振盈和系统的共振，Paul于1981年建议：闭环系统无阻尼自然频率 必须限制在关节结构共振频率的一半之内，即 根据这一要求来调整反馈增益 上式可写为 求出后，相应的速度反馈增益 3．稳态误差及其补偿 系统误差定义为 拉普拉斯变换 对于一个幅值为A的阶跃输入，即 可得稳态误差 五、PID控制 按照偏差的比例(P,proportional）、积分（I,integral）、微分（D,derivative）进行控制的PID控制到目前仍是机器人控制的一种基本的控制算法。它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点。 1．理想微分PID控制 下图所示为理想PID控制的基本形式，理想PID控制的表达式为， 拉普拉斯变换 由于机器人的控制系统采用的是计算机控制，因此以下着重讨论数字实现的算法。为了便于计算机实现，需要将积分式和微分式离散化，即 2．实际微分PID控制 由于上述原因，以一惯性环节代替微分环节，即 分别将比例、积分和微分环节用差分方程离散化，得到实际编程用的增量型算式， 由于直流电机本身在结构上的缺陷，它的机械接触式换向器不但结构复杂，制造费时，价格昂贵，而且在运行中容易产生火花，以及换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等问题，在运行中需要有经常性的维护检修，对环境的要求也比较高。 交流电机，特别是鼠笼型异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，可以用于恶劣环境，因此近年来在机器人领域得到了广泛的应用和推广。 一、交流电机的调速方法 交流电机的调速方法很多，有调压调速，斩波调速，转子串电阻调速，串级调速，滑差调速，变频调速等。 二、异步电动机的变频调速系统 1．电压型转差频率控制变频调速系统 2. 转矩和磁通通道独流的转差频率控制变频调速系统 3．电流型转差频率控制的变频调速系统 4．电流跟踪变频调速系统 一、机器人控制系统的硬件结构 在控制结构上，现在大部分工业机器人都采用二级计算机控制。第一级担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大，数据多，所以大都采用16位以上微型计算机。第一级运算结果作为伺服位置信号，控制第二级。第二级为各关节的伺服系统，有两种可能方案： 1）采用一台微型计算机控制高速脉冲发生器 2）使用几个单片机分别控制几个关节运动 双微型计算机控制系统 带独立CPU的伺服系统 二、单片机控制系统 80C196KC结构图 三、数字信号处理（DSP）系统 数字信号处理器将原始模拟信号转换成数字信号后，再进行各种运算处理，这些处理包括：差分方程计算、相关系数运算、复频率变换、付里叶变换、功率谱密度或幅值平方计算．矩阵运算与处理、对数取幂、模／数(A／D)和数／模(D／A)转换等。数字信号处理器具有适应数字信号处理算法基本运算的指令，有适应信号处理数据结构的寻址机构，它能充分利用算法中的并行性。数字信号处理器还在不断扩展实时控制功能。如增强输入／输出能力和对外部事件的管理操作，增加片内A／D转换器等。 DSP的主要特点可以概括如下： （1）哈佛结构 （2）用管道式设计加快执行速度 （3）在每一时钟周期中执行多个操作 （4）支持复杂的DSP编址 （5）特殊的DSP指令 （6）面向寄存器和累加器 （7）支持前、后台处理 （8）拥有简便的单片内存和内存接口 五、机器人运动控制系统