第07章-机械人控制基础PPT推荐.ppt

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典型的微机控制系统框图Robotics控制控制兰交大兰交大微机控制系统的输出通道微机控制系统的输入通道Robotics控制控制兰交大兰交大在工业机器人控制中，进行轨迹规划等需要完成大量的计算工作，因此，一般采用监督控制系统（SCCSupervisoryComputerControl）。

其组成如图所示SCC+模拟调节节器SCC+DDCRobotics控制控制兰交大兰交大机器人控制系统的特点机器人控制系统的特点1.机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关2.多自由度，多变量，耦合的非线性系统多自由度，多变量，耦合的非线性系统3.必须依靠计算机完成控制任务必须依靠计算机完成控制任务4.由于非线性，强耦合的数学模型，控制指令复杂由于非线性，强耦合的数学模型，控制指令复杂5.机器人的动作方式和路径多解，因此存在最优性机器人的动作方式和路径多解，因此存在最优性Robotics控制控制非常好的自动控制理论研究的命题非常好的自动控制理论研究的命题引言引言兰交大兰交大机器人控制分类机器人控制分类1.设定点控制设定点控制（SetpointControl）2.路径控制路径控制（PathControl）3.轨迹控制轨迹控制（TrajectoryControl）4.力（力矩）控制力（力矩）控制（ForceControl）Robotics控制控制引言引言点焊，安插元件点焊，安插元件点焊，安插元件点焊，安插元件喷漆，移动机器人喷漆，移动机器人喷漆，移动机器人喷漆，移动机器人工业机械手工业机械手工业机械手工业机械手装配，磨削机器人装配，磨削机器人装配，磨削机器人装配，磨削机器人兰交大兰交大机器人控制的基本单元机器人控制的基本单元1.电机电机液压驱动，气压驱动，直流伺服电机，交流伺服电液压驱动，气压驱动，直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机机，步进电机2.减速器减速器增加驱动力矩，降低运动速度增加驱动力矩，降低运动速度3.驱动电路驱动电路脉冲宽度调制方式驱动脉冲宽度调制方式驱动4.运动检测装置运动检测装置位置，速度，姿态位置，速度，姿态,加速度加速度5.控制系统硬件控制系统硬件工控机，控制板卡，工控机，控制板卡，6.控制系统软件控制系统软件运动特性计算，控制指令计算运动特性计算，控制指令计算Robotics控制控制引言引言兰交大兰交大Robotics控制控制7.17.1机械人系统的组成机械人系统的组成7.1.17.1.1机械人系统示意机械人系统示意机器人的功能：

机器人的功能：

动作和运动的控制动作和运动的控制末端操作器末端操作器/手爪的手爪的轨迹和力的再现轨迹和力的再现运动状态显示、运动状态显示、参数设定功能参数设定功能兰交大兰交大Robotics控制控制7.17.1机器人系统的组成机器人系统的组成7.1.27.1.2机器人框图机器人框图力反馈力反馈力反馈力反馈位置反馈位置反馈位置反馈位置反馈控制控制控制控制逆逆逆逆向向向向运运运运动动动动（动动动动力力力力学学学学）位置，速度，力矩位置，速度，力矩位置，速度，力矩位置，速度，力矩兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.17.2.1传递函数传递函数对于给定控制输入，如何求解机器人相应的动作？

对于给定控制输入，如何求解机器人相应的动作？

1.1.数值解数值解2.2.解析解解析解计算机实现，龙格计算机实现，龙格计算机实现，龙格计算机实现，龙格-库塔方法库塔方法库塔方法库塔方法数值迭代方法数值迭代方法数值迭代方法数值迭代方法理论分析方法，建立系统传递函数理论分析方法，建立系统传递函数理论分析方法，建立系统传递函数理论分析方法，建立系统传递函数传递函数：

传递函数：

G（S）=Y（S）/X（S）G（S）=Y（S）/X（S）G（S）=Y（S）/X（S）G（S）=Y（S）/X（S）兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.17.2.1传递函数传递函数求一阶系统传递函数和阶跃响应求一阶系统传递函数和阶跃响应电容电荷电容电荷基尔霍夫定律基尔霍夫定律兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.17.2.1传递函数传递函数求系统传递函数和阶跃响应求系统传递函数和阶跃响应增益增益固有频率固有频率衰减系数衰减系数兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.17.2.1传递函数传递函数物理意义？

物理意义？

兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.17.2.1传递函数传递函数L=0求直流伺服电机系统传递函数求直流伺服电机系统传递函数运动方程式运动方程式电机生成转矩电机生成转矩基尔霍夫定律基尔霍夫定律反电势反电势令令兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.17.2.1传递函数传递函数带有积分环节的二阶系统带有积分环节的二阶系统带有积分环节的二阶系统带有积分环节的二阶系统兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.27.2.2方框图方框图在各方框内写出控制元件的传递函数，并用带有在各方框内写出控制元件的传递函数，并用带有信号流向的箭头线段把各方框连接起来的框图信号流向的箭头线段把各方框连接起来的框图兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.27.2.2方框图方框图兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.27.2.2方框图方框图适用局限性适用局限性适用局限性适用局限性兰交大兰交大Robotics控制控制7.27.2传递函数和方框图传递函数和方框图7.2.27.2.2方框图方框图兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.1PID7.3.1PID控制的基本形式控制的基本形式兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.1PID7.3.1PID控制的基本形式控制的基本形式兰交大兰交大PID控制器的三个参数有不同的控制作用控制器的三个参数有不同的控制作用（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。

入信号的噪声很敏感。

（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。

在控制系统控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。

在控制系统中，增大中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；

可加快响应速度，但过大容易出现振荡；

（2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；

到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；

Robotics控制控制兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.1PID7.3.1PID控制的基本形式控制的基本形式兰交大兰交大实际工程中实际工程中PID控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观察实际性能来经验地确定。

察实际性能来经验地确定。

Robotics控制控制兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.27.3.2实用的实用的PIDPID控制控制1.1.1.1.用用用用CCCC1111和和和和CCCC2222构造出构造出构造出构造出PDPDPDPD和和和和PIDPIDPIDPID控制控制控制控制2.2.2.2.可以有多种可以有多种可以有多种可以有多种PIDPIDPIDPID控制结构，此处用输出控制结构，此处用输出控制结构，此处用输出控制结构，此处用输出xx和误差和误差和误差和误差ee产生产生产生产生控制命令控制命令控制命令控制命令uu兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.27.3.2实用的实用的PIDPID控制控制（11）微分超前型）微分超前型PDPD控制控制如何确定反馈增益？

如何确定反馈增益？

将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型的评价指标对比，得到反馈增益的评价指标对比，得到反馈增益的评价指标对比，得到反馈增益的评价指标对比，得到反馈增益兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.27.3.2实用的实用的PIDPID控制控制求传递函数，并写成标准形式，确定求传递函数，并写成标准形式，确定求传递函数，并写成标准形式，确定求传递函数，并写成标准形式，确定KKKKPPPP和和和和KKKKDDDDPDPD控制控制控制对象控制对象系统输出系统输出兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.27.3.2实用的实用的PIDPID控制控制传递函数传递函数标准传递函数标准传递函数只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定控制器增益控制器增益控制器增益控制器增益兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.27.3.2实用的实用的PIDPID控制控制（22）I-PDI-PD控制控制目的：

比例环节效果有限，处理残余稳态误差问题目的：

比例环节效果有限，处理残余稳态误差问题得到三阶闭环系统得到三阶闭环系统得到三阶闭环系统得到三阶闭环系统兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.27.3.2实用的实用的PIDPID控制控制兰交大兰交大Robotics控制控制7.3PID7.3PID控制控制7.3.27.3.2实用的实用的PIDPID控制控制兰交大兰交大惯惯性性矩矩变变化化引引起起的的驱驱动动力力变变化化物物体体重重时时手手臂臂的的姿姿势势不不同同时时Robotics控制控制兰交大兰交大有障碍物时有障碍物时路径（运动轨迹）控制路径（运动轨迹）控制Robotics控制控制兰交大兰交大力控制力控制Robotics控制控制兰交大兰交大机械手爪与外界接触有两种极端状态：

机械手爪与外界接触有两种极端状态：

手爪位置的手爪位置的PID控制控制一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；

一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；

另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位另一种是手爪与环境固