【正文】 粉塵 常見控制系統(tǒng)的分類 ① 按被控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程來分：線性非線性時(shí)變定?？刂葡到y(tǒng)。 ②輸入信號(hào)的變化規(guī)律：恒值控制和隨動(dòng)控制， ③系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳送特特點(diǎn)：連續(xù)控制和離散控制， ④被控對(duì)象的不同：機(jī)電氣動(dòng)液壓控制。 ⑤被控量不同：溫度速度位移動(dòng)力?？刂坡墒欠褚蕾嚱Y(jié)構(gòu)響應(yīng)或外界激勵(lì)：閉環(huán)開環(huán)開閉環(huán)。 ⑥控制量作用在系統(tǒng)中不同位置：前饋反饋前饋反饋。 ⑦控 制方法：兩點(diǎn)控制閥、 PID、狀態(tài)反饋系統(tǒng)、極點(diǎn)配置和最優(yōu)、模糊、自適應(yīng)控制 [8]。 各種控制優(yōu)缺點(diǎn) 柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)方案包括控制系統(tǒng)硬件 /軟件結(jié)構(gòu)控制程序。硬件結(jié)構(gòu)包括多方面，由控制方式、對(duì)象和要求決定，軟件控制程序由機(jī)械手控制目標(biāo)、功能和過程要求共同決定。 ①開環(huán)控制：控制預(yù)定控制量值的大小。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單、方便，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，低成本；缺點(diǎn)無反饋，無系統(tǒng)回路，無法準(zhǔn)確判斷實(shí)時(shí)控制的壓力，難發(fā)現(xiàn)障點(diǎn)；抗干擾能力低，適應(yīng)環(huán)境能力差。 ②閉環(huán)控制：通過控制壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)實(shí)時(shí)的接觸抓取物時(shí)的壓力大小。優(yōu) 點(diǎn)精度高，適應(yīng)各種環(huán)境，抓取力度能更精確，得到數(shù)據(jù)在上位機(jī)上畫出曲線，對(duì)被抓取物受力分析；缺點(diǎn)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。 柔性機(jī)械手系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 8 ③工控機(jī)：周期掃描過程變量，顯示全程信息設(shè)置模擬量調(diào)節(jié)器給定值。優(yōu)點(diǎn)快速、實(shí)時(shí)；缺點(diǎn)工控機(jī)價(jià)高。 ④ PLC 控制：編程設(shè)備編寫 T 型圖，專用鏈接線導(dǎo)入 PLC 接通控制電路。優(yōu)點(diǎn)靈活擴(kuò)展性好；缺點(diǎn)中、大設(shè)備。 ⑤ 單片機(jī)控制：集成電路芯片，大規(guī)模集成電路技術(shù)包括 CPU、 RAM、 ROM、多種 I/O口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器集成到一塊硅片，連接外部信號(hào)，附加集成電路、 I/O 接口電路。優(yōu)點(diǎn)小型設(shè)備；缺點(diǎn)硬 /軟件設(shè)工作量大，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多。 反饋控制組成 被控過程（受控對(duì)象）、傳感器裝置（觀測(cè)器）、執(zhí)行器裝置（作動(dòng)器）、控制器。開閉環(huán)區(qū)別： 1 有無反饋、 2 是否對(duì)當(dāng)前控制起作用 估計(jì)控制的兩條途徑： （ 1）前饋反饋控制，前饋保證理想軌跡，反饋消除軌跡誤差并提供一定的魯棒性 （ 2）關(guān)系柔性分解。剛性、柔性分開來看，剛性臂控制確保軌跡精確定位； 表 27 常見理想邊界條件下振型的歸一系數(shù) The normalized coefficient mode mon ideal boundary conditions 約束類型 兩端鉸支 兩端固定 固定簡(jiǎn)支 固定自由 兩端自由 歸一化系數(shù)Di lm2 lm1 lm1 lm1 lm1 普通振型函數(shù)為 ()i i iY c y x= ,其中 ci 為常數(shù) 本章總結(jié) 本章主要講了機(jī)械手以及控制系統(tǒng)分類、反饋控制組成，機(jī)械手作為先進(jìn)生產(chǎn)機(jī)械，必須有先進(jìn)的控制系統(tǒng)，研究機(jī)械手必須對(duì)控制有詳細(xì)的了解。本章綜合了許多知識(shí)點(diǎn)，要牢靠掌握。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 3 機(jī)械手設(shè)計(jì)要求 PLC 研究方向的機(jī)械手 PLC 特點(diǎn)和 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則 機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù) : ① 選取座標(biāo)型式和自由度 ② 設(shè)計(jì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括手指、手腕、手臂、關(guān)節(jié)等部件的設(shè)計(jì) ③ 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括選取驅(qū)動(dòng)元器件，設(shè)計(jì)原理圖。 ④ 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工作流程，編制出 PLC 程序，畫出梯形圖 表 31 機(jī)械手控制部分器件 Mechanical hand control part device 控制部分 器件 電器控制 繼電器、開關(guān)調(diào)速器、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器 氣動(dòng)控制 電磁閥、氣控閥、單向閥、節(jié)流閥、快排閥、減壓閥 PLC 特點(diǎn) ： ① 反應(yīng)速 度快，噪音、能耗、體積小，輸入直流電壓低，價(jià)格實(shí)惠。 PLC 技術(shù)不斷發(fā)展，功能更加完善，具有開關(guān)量邏輯控制功能和步進(jìn)、計(jì)算、模擬量處理、溫度 /位置控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。 ② 功能強(qiáng)大，編程方便，可單機(jī) /聯(lián)網(wǎng)使用、集中 /分布 /集散控制。在運(yùn)行過程中，可隨時(shí)修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。 ③ 控制精度高，可進(jìn)行復(fù)雜的程序控制，軟件實(shí)現(xiàn)大量開關(guān)量邏輯運(yùn)算。 ④ 自動(dòng)檢測(cè)控制工程，指令靈活多變，通用拓展好，安裝靈活，編程簡(jiǎn)單易于掌握。 ⑤ 系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性高，濾波、屏蔽、隔離抗干擾，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境 。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則 ： 一、 高度滿足控制要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并收集相關(guān)資料，緊密配合技術(shù)人員和操作工，擬定控制方案，共同解決問題。 二、 保證 PLC 控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程全面考慮。 三、 使效益最大化，成本最小化。簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，使用及維修方便。 四、 留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn) 。 PLC 發(fā)展趨勢(shì) (1) 大存儲(chǔ)、快響應(yīng)，目前大中型 PLC 的速度可達(dá) 。 (2) 多品種，目前開關(guān)量 I/O 點(diǎn)數(shù)達(dá)到 8192 點(diǎn)的大型 PLC 己較多。 適應(yīng)大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的需要， 增加 輸入輸出點(diǎn)數(shù)。例如 modi 公司的 984780、 984785 的最大開關(guān)量輸入輸出柔性機(jī)械手系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 10 點(diǎn)數(shù)為 16384,西門子公司的 S555U為 10K 點(diǎn) Reliance Electric 公司的 DCS5000 為 12K 點(diǎn)。 (3) 編程語言多樣化，梯形圖語言 ( RLL )、高級(jí)語言 (BASIC 語言、 C 語言、 C++等 )，例如teletrol 系統(tǒng)公司的 286 集成系統(tǒng)就是用 C 語言，使個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)得以溶入 PLC 之中。 (4) 微處理器為基礎(chǔ)，發(fā)展智能模塊。與 PLC 的主 CPU 并行工作，占用主 CPU 的時(shí)間很少，有利于提高 PLC 的掃描速度 [12]。 PID 數(shù)學(xué)計(jì) 算： PLC 的 PID 運(yùn)算指令完成，定時(shí)中斷控制采樣周期 t，采用電壓調(diào)整方法，固定電壓直流電源開關(guān)頻率控制 PWM，從而改變負(fù)載兩端的電壓。驅(qū)動(dòng)控制調(diào)整系統(tǒng)中，固定的頻率通斷電源，改變一個(gè)周期內(nèi)接通斷開電時(shí)間的長(zhǎng)短，改變直流電機(jī)電樞上電壓占空比來改變平均電壓的大小，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度。控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，準(zhǔn)確定位 ， 控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度 來調(diào)速。 PID 調(diào)節(jié)器的 輸入輸出函數(shù)關(guān)系為 01( ) [ ] 0c n nl deM t k e e d t T MT i d t= + + +242。 （ 31） 其中 Kc 為比例增益， Ti 為積分時(shí)間常數(shù) Td 為微分時(shí)間常數(shù) M0 為初始值。1( ) (1 )pG s k T dsT iS= + + 控制理論知，系統(tǒng)采樣周期為 T，上式 PID 運(yùn)算進(jìn)行數(shù)字化處理后得到第 n 次采樣調(diào)節(jié)器輸出為 0c nc n c djik eM n k e e j t k TTt=D= + D + D229。=MPn(比例項(xiàng) )+MIn（積分項(xiàng)） +M n（微分項(xiàng)） （ 32） Mn 第 n 次采樣的調(diào)節(jié)器輸出， en 為第 n 次的輸入誤差，時(shí) 間增量 Tn=?t,積分增益Ki=KcTn/Ti 微分增益 Kd=KcTd/Tn 柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程大致描述： 實(shí)現(xiàn)工作方式有：手動(dòng)、單步、回位、單周期、連續(xù)。 [14] ①步進(jìn) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械手 PLC 型號(hào)由 I/O 點(diǎn)數(shù)、 PLC 硬件和指令系統(tǒng)功能、存儲(chǔ)量 ②每按一次“行進(jìn)按鈕”，機(jī)械手向前執(zhí)行一步，也可按下“自動(dòng)按鈕”，機(jī)械手自動(dòng)行進(jìn)。驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，方向信號(hào)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。 ③控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)來使機(jī)械手上下前后動(dòng)作。 ④兩個(gè)繼電器的吸合斷開來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)基座和氣夾正反轉(zhuǎn)。 ⑤ 單線圈兩 位置電磁閥控制機(jī)械手的放松夾緊。線圈通電機(jī)械手放松，線圈斷電機(jī)械手夾緊。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程大致描述 抓取物體可分為三個(gè)階段 ,接近并接觸物體、抓緊物體和抓起物體。三個(gè)階段的控制涉及到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、靜力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。 前端輸入的高低電平，進(jìn)而改變繼電器的吸合通斷。進(jìn)行硬件手指控制部分程序的仿真，利用 matlab 軟件 ,對(duì)各種抓取功能和過程進(jìn)行了仿真。對(duì)手指的正屈和反伸功能 ,進(jìn)行了抓取過程仿真計(jì)算 ,得到手指軌跡和機(jī)械手極限位置的三維圖。仿真對(duì)手指外展和內(nèi)收功能，抓取物體可分為三個(gè)階 段 ,接近并接觸物體、抓緊物體和抓起物體。三個(gè)階段的控制涉及到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、靜力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。 機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)多步驟，要求有連續(xù)和手動(dòng)控制操作方式。工作方式的選擇可在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)動(dòng)作。當(dāng)旋鈕打 向手動(dòng)時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制程序的步驟和方法 ： 打開電源，按下起動(dòng)按鈕 開機(jī)復(fù)位。機(jī)械手的動(dòng)作示意圖如圖 31 所示機(jī)械手若不在原點(diǎn)則 PLC 向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入 脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。當(dāng)后縮到位時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到底時(shí)碰到上限位開關(guān)，上升停止，回到原點(diǎn)。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，氣夾電磁閥斷電，機(jī)械手夾緊。夾緊后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。 PLC 向驅(qū)動(dòng)器一只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一正轉(zhuǎn)，機(jī)械手前伸，前伸到位時(shí)，碰到前限位開關(guān)，前伸停止 。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。放松后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。 PLC 向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。機(jī)械手后縮，當(dāng)后縮到底時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。下 降到底時(shí)碰到 限位開關(guān)，下降停止，回到原點(diǎn)。至 此，機(jī)械手經(jīng)過八步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán) [13]。 柔性機(jī)械手系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 12 圖 31機(jī)械手傳送工件系統(tǒng)示意圖 Fig. 31 Schematic diagram of manipulator system 本章小結(jié) 本章主要介紹了 PLC 方向的機(jī)械手， PLC 被廣泛應(yīng)用與工業(yè)，機(jī)械手中的應(yīng)用也極為常見，詳細(xì)了解 PLC 各種特點(diǎn)有利于機(jī)械手動(dòng)力學(xué)研究模型建立和進(jìn)一步研究。 PlC 結(jié)合電機(jī)理論，建立完整體系。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 4 柔性問題和傳感器 柔性及存在問題 機(jī)械手臂通過一些細(xì)小交叉部件相連，柔性導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng) ，使其端部位置的控制非常困難。物體的彈性變形相對(duì)于整體運(yùn)動(dòng)不可忽略為多柔體系統(tǒng)，可忽略則為多剛體系統(tǒng)。將彈性力學(xué)引入其中，彈性形變?cè)龃螅a(chǎn)生扭曲彈性剪切造成運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性矛盾。柔性分兩種，桿型柔性和關(guān)節(jié)柔性，原來有限自由度變?yōu)闊o限自由度。柔性較之剛性，結(jié)構(gòu)輕，載 /自重比高，低能耗，較大操作空間，高效率，響應(yīng)快速準(zhǔn)確。采用數(shù)值法給出動(dòng)力學(xué)模型的正解仿真結(jié)果控制方案的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)方案的比較，設(shè)計(jì)運(yùn)放電路及接口電路，A/D 選擇與接口電路，軟件程序（抓取及放下程序）及控制電路仿真針對(duì)柔性機(jī)械手動(dòng)力學(xué)，重點(diǎn)從離散方 法、建立數(shù)學(xué)模型、解決動(dòng)力學(xué)問題三方面綜述研究情況 [9]。 相關(guān)的壓力傳感器 內(nèi)部傳感器：檢測(cè)本身狀態(tài)，多檢測(cè)位置和角度。 外部傳感器：檢測(cè)所處環(huán)境及狀況。有物體識(shí)別和探及、接近、距離、力 /聽覺傳感等 機(jī)械手一般是直線或旋轉(zhuǎn)氣缸或氣爪控制的，其傳感器是氣缸上所帶的接近開關(guān)。氣缸兩端內(nèi)部有磁環(huán)，氣缸兩端外部安裝有接近開關(guān) .(霍爾傳感器 ),氣缸桿伸出或縮回到位時(shí) ,接近開關(guān)有感應(yīng) ,就把信號(hào)傳到 PLC，當(dāng)然還有電感式、電容式、接近開關(guān)，在機(jī)械手里用作位置檢測(cè)。帶伺服電機(jī)的機(jī)械手，是伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)方向 、位置，由伺服電機(jī)尾端的編碼器檢測(cè)方向和位置。機(jī)械手要到位后才加緊和松開，需要限位開關(guān)提示他到位了，其次，定時(shí)器用來緩沖，根據(jù)到位后緩沖下，在將物品放下或者加緊。 傳感器測(cè)量手臂運(yùn)動(dòng)、應(yīng)變和振動(dòng)傳感器的輸入輸出特性，對(duì)輸出信號(hào)作相應(yīng)處理，獲得穩(wěn)定可靠有效的信號(hào)采樣提供給 CPU，進(jìn)行控制。利用傳感器測(cè)量的振動(dòng)信息構(gòu)成反饋回路來抑制柔性振動(dòng)。測(cè)量振動(dòng)的傳感器有應(yīng)變片和加速度傳感器。直線位移傳感器通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之呈線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的裝置。直線位移傳感器把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信 號(hào)，在固定位置放可變電阻滑軌，滑片在滑軌上不同位移測(cè)量不同阻值。直線位移傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微小電流，滑片、始端之間的電壓正比于滑片移動(dòng)距離。進(jìn)給位置反饋元件直線位移傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)，用自動(dòng)控制理論，設(shè)計(jì)包內(nèi)環(huán)（速度控制）和外環(huán)（位移控制）的雙閉環(huán)系統(tǒng)，采樣