(49)--第5章IR控制机器人通用技术.ppt

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1、1、工业机器人伺服系统的组成及特点；2、单独关节伺服驱动控制系统的建模与控制；3、工业机器人的两种作业形式两种作业形式-点位（PTP）和连续路径（CP）控制原理；4、多轴机器人的位置控制控制+速度控制设计速度控制设计；5、PID调节及电气控制方法；6、控制系统的（分层、硬件）结构及分类；7、动力、通讯电缆及I/O接口的检查和故障排除；8、紧急制动及紧急制动的复位等；9、实际操作中的安全措施；10、控制系统设计及实例；11、工件打磨作业的力和位置混合控制原理。第第5 5章工业机器人控制章工业机器人控制机器人理论的总结：两大空两大空间三大矩三大矩阵5.1 5.1 机器人控制系统与控制方式机器人控制

2、系统与控制方式5.1.1机器人控制系统的特点（与一般自动化设备比较）机器人的动力学方程式M(q)-惯性矩阵；-离心力和科氏力的向量；B-粘性摩擦系数矩阵粘性摩擦系数矩阵；G(q)-重力项的向量；-关节驱动力向量。式中p 与机构运动学和动力学密切相关；p 数学模型：多输入/多输出、耦合的、时变的非线性系统；p 多自由度，多变量的协调控制，计算机软件担负着艰巨任务；p 重力补偿、前馈、解耦、自适应控制、智能控制。p .由于各关节臂之间存在的相互干涉问题，惯性矩阵M(q)对角线以外的元素不为零。而且各元素与关节角度成非线性关系，随着机器人的位姿而变化。1.点位式 PTP(Point to Point

3、）：只以终点位置为目标，作准确的移动，而对移动中的轨迹不作控制要求。典型的应用：spot Welding robot。5.1.2 5.1.2 机器人的控制方式机器人的控制方式2.轨迹式CP（Continuous Path）:在任意特定数量的点处停留。点与点之间的轨迹不做要求插补。典型的应用：Arc Welding Robot。如何如何 插补插补？利用插补点之间的增量和雅可比逆矩阵,求出各关节的分增量各电机按照分增量进行位置控制。3 力（力矩）控制力（力矩）控制：装配、抓取工件等工作时，除了准确定位之外，还要求使用适度的力（力矩）。力（力矩）反馈-力传感器。4 智能控制智能控制：AI技术（人工神

4、经网络、遗传基因算法、模糊控制、专家系统等）。示教示教-即教机器人如何去做。在示教过程中，机器人将作业顺序、位置、速度等信息记录下来。再现再现-根据这些存储的信息再现示教的动作。5 示教示教/再现再现（teach/play）控制-一种主流控制方式：示教直接示教间接示教操作者使用安装在机器人手臂末端的操作杆（joystick）操作者使用示教盒(teaching box)5.2 5.2 单关节机器人模型与控制单关节机器人模型与控制p 工业机器人运动速度不高(通常小于1.5m/s)，由速度项引起的非线性作用也可以忽略。p 工业机器人在驱动负载时通常需要减速器减速器，其减速比往往接近100，这使得负载

5、的变化（例如由于机器人关节角度的变化使得转动惯量发生变化）折算到电动机轴上要除以减速比的平方，因此电动机轴上负载变化很小，可以看作定常系统处理。各关节之间的耦合作用，也因减速器的存在而极大地削弱。工业机器人系统就变成了一个由多关节多关节（多轴）组成的各自独立的线性系统独立的线性系统。由于机器人是耦合的非线性动力学系统，严格说，各关节的控制必须考虑关节间的耦合作用，但通常：直流伺服电机的等价回路5.2.15.2.1单关节系统的数学模型单关节系统的数学模型直流伺服电动机驱动机器人关节的简化模型电机轴的转矩平衡方程为：负载轴的转矩平衡方程为：电枢绕组电压平衡方程为：相互耦合方程为：微分方程微分方程忽

6、略电感后得系统微分方程再考虑到转角之间的关系：注：n 电机经传动比：电机轴的转动惯量J1和阻尼系数B1折算到负载侧时与传动比n2成正比；负载侧的转动惯量和阻尼系数向电机轴侧折算时要分别除以n2。式中：若采用传动比n1的减速机构，则负载的转动惯量和阻尼系数减少为原来的1/n2。-减速器的优点（与直接驱动相比）开环传递函数为：这一方程代表了单关节控制系统所加电压电压与关节角位移关节角位移之间的传递函数。对于液压或气压传动系统液压或气压传动系统，也可推出与上式完全类似的关系式，因此，此方程具有一定的普遍意义。介绍控制系统仿真工具Matlab 中Simulink例如：单位反馈系统的开环传递函数为分析系

7、统的响应 simulink仿真结果机械传动系统的阻抗包括惯性阻抗惯性阻抗（惯性质量的惯性矩，相当于电气系统中的线圈感抗）、摩擦阻抗摩擦阻抗（直线运动和旋转运动摩擦，相当于电气系统中的电阻）和弹性阻抗弹性阻抗（弹簧和轴的扭转弹性变形，相当于电气系统中的电容器）。5.2.25.2.2阻抗匹配（略）阻抗匹配（略）在电气系统电气系统中，如果电源的内部阻抗内部阻抗与负载阻抗负载阻抗相同，那么负载消耗的电能最大，效率最高。在机械系统和流体传动系统中也有相似的性质。要从某一能源以最高效率获得能量，一般都要使负载的阻抗与能源内部的阻抗一致，这就叫阻抗阻抗匹配匹配。即电机的惯性矩与负载的惯性矩相等，就会使执行装

8、置执行装置达到最大的驱动能力。适当选择减速器的传动比，使执行装置执行装置的惯性矩与负载负载惯性矩一致。对于其它传动机构，采用不同的惯性矩变换系数也能得到同样的效果。如果5.2.3 5.2.3 单关节位置与速度控制单关节位置与速度控制1.P-Proportional/比例；I-Integral/积分；D-Derivative/微分操作量操作量u(t)分别为比例系数，积分时间，微分时间。比例（比例（P）调节作用：）调节作用：按比例反映当前当前系统的偏差。系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。积分（积分（I）调节作用：）调节作用：是过去过去系统误差的积累。使系统消除稳态误差，提高

9、无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。微分（微分（D）调节作用：）调节作用：反映未来未来系统偏差信号的变化率，具有预见性预见性，能产生超前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间，改善系统的动态性能。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。PID控制的比例考虑的是现在现在的偏差值；积分考虑的是过去过去的偏差值；微分考虑的是未来未来偏差的变化量。并且以当前当前的误差为主，兼顾到了误差的过去与将来过去与将来。可见，考虑问题之周全。PID控制是一种经典的控制方法PID控制的哲理控制的哲理-人生控制论人生控制论P P 就是你现在的力

10、量，要抓住现在，立足于现在；I 表示了过去经验的积累，要不断地反思过去，从反思中取得经验；D 是针对未来适应突变的能力，不断学习，提高自身的修养，增强对未来突变的适应能力。如果你能按如果你能按PIDPID控制人生，才能不受一些外面因素的控制人生，才能不受一些外面因素的干扰，把握好人生的方向，快速、平稳地达到追求的干扰，把握好人生的方向，快速、平稳地达到追求的目标。目标。机器人单关节PID控制系统框图2.机器人单关节PID控制（闭环）举例：设电机参数如表所示惯性J4.710-4Kgm2电阻R12.3力矩常数kT0.12Nm/A反电势常数ke4.8710-3V/rpm粘性系数f2110-5Nm/r

11、pm用simulink进行PID控制仿真练习仿真结果加入积分动作可消除系统的稳态偏差；加入微分动作后，比例和积分系数可增大，提高了系统的响应速度。二阶系统，参数均为正时，稳定，增大kp和阻尼，可减少误差。但上式可以看出 kp增大，系统响应加快，但阻尼减小。有效方法是引入速度反馈系统的闭环传递函数为（仅有比例时）位置位置+速度反馈速度反馈 在实际应用中，特别是机械系统中控制对象的库仑摩擦力小时，即使不用I动作也可得到非常好的控制性能。这种控制方法称为PD控制，其控制规律可表示为3.3.实用实用PIDPID控制控制PDPD控制控制为了简化问题，考虑目标值 为定值的场合：速度反馈增益，通常用 表示。

12、位置+速度反馈闭环系统框图系统的传递函数为4.4.位置，速度反馈增益的选择位置，速度反馈增益的选择自学，即自学，即引入速度反馈后，系统阻尼增大时很明显很明显：位置反馈增益变成了弹簧系数部分，即增大了系统的刚性；速度反馈增益变成了粘性摩擦系数的一部分，即增大了系统的阻尼。原来PIDPID控制应用举例控制应用举例双轮自平衡小车双轮自平衡小车(同学版同学版)原地站立 前进 后退 左转 右转 小车在最佳PID参数设置下站立时的数据曲线 角度/o时间/s小车受到外部干扰时的数据曲线 干扰不加微分环节时的数据曲线(抗干扰能力下降)失调不加积分环节时的数据曲线(稳态误差增大)不加速度反馈时的数据曲线(小车从运动到停止的控制)如果不加速度反馈，当小车受到外部冲击时，要经过很长时间才能在阻力的作用下把速度降为零。速度反馈起到了增加系统阻尼的作用。速度变化曲线谢谢！