【正文】 KsΩsTsKsTsKsΩn????????????????() 式中 , 設(shè) mnmn12,21,TKTTK ??? ????其中 ,ωn為固有頻率 ,ξ為衰減常數(shù) 。 當(dāng)增大 K時 ,ωn隨之變大 , 快速響應(yīng)變好 , 但當(dāng) ξ變小時 , 衰減特性會變壞 , 系統(tǒng)會振動 。 通過實(shí)驗(yàn)可識別式 ()中的常數(shù) Tm、 K和 ξ。 單獨(dú)在電動機(jī)上施加階躍電壓 ,測定速度的上升狀態(tài) , 從而可以求出時間 Tm。 開環(huán)增益 K是在不加反饋的條件下 ,以圖 量作為輸入 ,以測速電動機(jī)的輸出電壓作為輸出求出的 。 根據(jù)閉環(huán)時的階躍響應(yīng)求出 h(即 (檢測速度的最大值 指令速度 )/指令速度 ),然后由圖 ξ的數(shù)值 。 圖 衰減常數(shù) ξ 的求法 )1π(ln2????h 通過比例積分微分 (PID) 再次將圖 , 則圖 傳遞函數(shù) G(s)變成下式 : mm213m3/11)(TKKKKKKTsKssGE????() 設(shè) s=jω并求絕對值時 , 可以求得增益的頻率特性 , 它由下式表示 : 2m23m3)/1(1/1jj1)(jTKTKG?????????() 若設(shè) K3=4 Tm= , 可以得到如圖 。 圖 速度控制系統(tǒng)的方框圖 圖 PID補(bǔ)償 由圖 , 在 ω=10～ 20rad/s時 , 會產(chǎn)生穩(wěn)定性問題 , 這時增益的斜率為 40 dB/10倍頻程 , 相位趨近于 180176。 。 因此 ,在增加了 PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)后 , 其斜率在 5～ 100 rad/s之間變成為 20dB/10倍頻程 , 于是相位裕量增大到趨近于 90176。 。 為此 , 我們需要考慮下式表示的補(bǔ)償環(huán)節(jié) GC(s): 21221212)(1)(1j1j1)j(j11)(TTTTGssTsTsGCC????????????????() 當(dāng) T1＞ T2時 , 它變成滯后環(huán)節(jié) 。 當(dāng) T1＜ T2時 , 它變成超前環(huán)節(jié) 。 它們的伯德圖表示在圖 。 因?yàn)檫@里需要相位超前 ,所以作為超前環(huán)節(jié) , 設(shè) 1/T2=5, 1/T1=100。 在圖 , 表示了補(bǔ)償環(huán)節(jié)和補(bǔ)償后的伯德圖 。 在圖 ,表示了補(bǔ)償后的方框圖和各部分的信號波形圖 。 在圖中 , PID補(bǔ)償器 GC(s)的輸出對于分子的微分項(xiàng)來說 , 顯然會變成一個上升很大的波形 。 當(dāng) T2的值增大時 , 波形上升得更高 。 當(dāng)作為電動機(jī)的輸入考慮時 , 應(yīng)當(dāng)注意 , 實(shí)際上它會達(dá)到飽和 。 圖 PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)的伯德圖 圖 PID補(bǔ)償后速度控制系統(tǒng)的方框圖 通過 IPD補(bǔ)償改善系統(tǒng)特性 在圖 ,采用 IPD(積分比例微分 )補(bǔ)償后 , 得到圖 。 檢測出的速度 Ω(s),通過比例 (P)和微分 (D)的環(huán)節(jié)進(jìn)行反饋 。 因此 ,為了能提高開環(huán)增益 ,加進(jìn)了積分環(huán)節(jié)的增益 K1。 若設(shè)積分環(huán)節(jié)后面的信號為 Ω′, 則當(dāng) KKTD時 , 從Ω′(s)到輸出 Ω(s)的傳遞函數(shù)變?yōu)橄率?: )(39。)1()(pm2 sΩKKKKTsKsΩSD ????() 圖 IPD補(bǔ)償后的速度控制系統(tǒng)方框圖 在圖 ,將電流 I(s)進(jìn)行反饋 , 并且將其與指令電流 I*(s)進(jìn)行比較 , 從而可以構(gòu)成電流控制 。 現(xiàn)在我們來考慮這種控制 , 變量 Ω(s)仍采用原來的量 , 從指令電流I*(s)到檢測電流 I(s)的傳遞函數(shù)可以求出為 c*c*c)()()()}()]()([{1)(KRsIsΩKsIKsIsK ΩsIsIKRsLsIE????????() 在式 ()中 , 當(dāng)增益 Kc十分大時 ,I(s)≈I*(s), 于是圖 簡化成圖 。 這是因?yàn)橛删€圈的電感 L造成的電流相對于電壓的滯后 , 以及速度電動勢 KEΩ(s)可以忽略 。 這時電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 τM的響應(yīng)特性得到改善 , 同時 , 防止電動機(jī)的過電流也變得比較容易 。 在大多數(shù)伺服電動機(jī)的控制回路中 , 都采用了電流控制方式 。 圖 增加了電流控制的直流電動機(jī)的方框圖 圖 因電流控制而簡化的直流電動機(jī)的方框圖 用圖 , 取代圖 , 可以得到圖 。 在圖 , 從輸入 Ω*(s)到輸出 Ω(s)的傳遞函數(shù) , 這時變成下式 : )()( *2 sΩKKsDJsKKsTVTV????() 圖 加電流控制后的速度控制系統(tǒng)方框圖 因?yàn)槟Σ料禂?shù) D較小 , 所以速度 ωm(t)變成振動的 , 這從拉普拉斯變換表中可以清楚地看出 。 因此 , 如果設(shè)微分環(huán)節(jié) 1/s為1/s+Kp時 , 則傳遞函數(shù)變成為下式 : )()()1()( *2 sΩKKsKKKDJsKKsKsΩTVTVpTVp?????() 當(dāng)在積分環(huán)節(jié) 1/s上增加比例增益 Kp時 ,由于設(shè)置了 1/s+Kp,因此衰減常數(shù) ξ增大 ,穩(wěn)定性隨之增加 , 這種性能的改善是必要的 。 如果摩擦系數(shù) D非常小而可以忽略時 , 則可以得到下式 : )(22)( *2n22n sΩssssΩnn??????????() 式中 , JKKKJKK TVpTVn 21, ?? ?? 圖 ξ=1時的階躍響應(yīng) 。 但是 ,這里外設(shè)力 TL(s)為0,即使是 ξ=1, 這里仍然發(fā)生了過調(diào)現(xiàn)象 , 這是由式 ()中的零點(diǎn)造成的 。 圖 加了電流控制后的速度控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng) (ξ =1) 到現(xiàn)在為止 ,都是由位置的偏差來計算速度模式 , 利用針對指令速度的速度控制系統(tǒng)實(shí)施位置控制 。 這里 ,我們通過補(bǔ)償環(huán)節(jié) , 根據(jù)位置偏差構(gòu)造指令速度 , 以說明構(gòu)成速度控制的方法 。但是 , 應(yīng)附加進(jìn)電流控制 。 在式 ()中 ,如果設(shè)速度回路的響應(yīng)比位置回路的響應(yīng)快得多 ,從而使 |s|=|jω|ωn成立 ,則式 ()可以簡化為 Ω(s)≈Ω*(s),補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用比例環(huán)節(jié) Kp0。 由此得到的位置控制系統(tǒng)如圖 所示 , 它可以近似地用一階系統(tǒng)表示 。 圖 用一階系統(tǒng)近似表示的位置控制系統(tǒng) 因?yàn)橛贸?shù) KT乘電流 i可以求出轉(zhuǎn)矩 , 所以對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制可以通過對電流的控制來實(shí)現(xiàn) 。 正如在 過的那樣 , 如果進(jìn)行電流反饋 , 就可以實(shí)現(xiàn)電流控制 。 另外 ,由運(yùn)動方程式 ()可以清楚地看出 , 對轉(zhuǎn)矩的控制可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷铀俣鹊目刂?。 iKtJ T?? ??22dd() 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 1. 硬件 : (1) 傳感裝置 : 主要用以檢測工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置 、 速度和加速度等 , 即感知其本身的狀態(tài) , 可稱為內(nèi)部傳感器 。 而外部傳感器就是所謂的視覺 、 力覺 、 觸覺 、 聽覺 、 滑覺等傳感器 , 它們可使工業(yè)機(jī)器人感知工作環(huán)境和工作對象的狀態(tài) 。 (2) 控制裝置 : 用于處理各種感覺信息 , 執(zhí)行控制軟件 , 產(chǎn)生控制指令 。 一般由一臺微型或小型計算機(jī)及相應(yīng)的接口組成 。 (3) 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動部分 : 這部分主要是根據(jù)控制裝置的指令 , 按作業(yè)任務(wù)的要求驅(qū)動各關(guān)節(jié)運(yùn)動 。 2. 這里主要指控制軟件 , 它包括運(yùn)動軌跡規(guī)劃算法和關(guān)節(jié)伺服控制算法與相應(yīng)的動作程序 。 控制軟件可以用任何語言來編制 , 但由通用語言模塊化而編制形成的專用工業(yè)語言越來越成為工業(yè)機(jī)器人控制軟件的主流 。 圖 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)各部分的名稱和作用如下 : (1) 控制計算機(jī) : 控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu) 。 一般為微型機(jī) 、 微處理器 ,有 32位 、 64位等 ,如奔騰系列 CPU以及其他類型 CPU。 (2) 示教盒 : 示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定 , 以及所有人機(jī)交互操作 , 擁有自己獨(dú)立的 CPU以及存儲單元 , 與主計算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互 。 (3) 操作面板 : 由各種操作按鍵、 狀態(tài)指示燈構(gòu)成 , 只完成基本功能操作。 (4) 硬盤和軟盤存儲器 : 是機(jī)器人工作程序的外圍存儲器 。 (5) 數(shù)字和模擬量輸入 /輸出 : 實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出 。 (6) 打印機(jī)接口 : 記錄需要輸出的各種信息 。 (7) 傳感器接口 : 用于信息的自動檢測 , 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制 ,一般為力覺 、 觸覺和視覺傳感器 。 (8) 軸控制器 : 完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。 (9) 輔助設(shè)備控制 : 用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制 , 如手爪變位器等 。 (10) 通信接口 : 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換 , 一般有串行接口 、 并行接口等 。 (11) 網(wǎng)絡(luò)接口 : 包括 Ether接口和 Fieldbus接口。 Ether接口 : 可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)器人的直接PC通信 ,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 10Mb/s,可直接在 PC上用 Windows 95或 Windows NT庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后 ,支持 TCP/IP信協(xié)議 , 通過 Ether接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機(jī)器人控制器中 。 Fieldbus接口 : 支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格 , 如 Device 、AB Remote I/O、 Interbus－ s、 profibus－ DP、 M－ NET等 。 習(xí) 題 1. 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)與普通控制系統(tǒng)相比有哪些特點(diǎn) ？ 2. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能有哪些 ？ 3. 示教編程方式有哪兩類 ? 各有什么特點(diǎn) ？ 4. 工業(yè)機(jī)器人的控制方式按作業(yè)任務(wù)不同可分為哪些方式 ？ 5. 在機(jī)器人控制中 , 試分析半閉環(huán)系統(tǒng)比全閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛的理由。 6. 對于表 A和電動機(jī) B, 試求與本章中式 ()相當(dāng)?shù)乃俣扰c轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式 。 另外 ,為了使轉(zhuǎn)矩輸出為額定值的 45%時 ,電動機(jī)能以額定速度的 87%的速度運(yùn)轉(zhuǎn) , 試分別求必要的電壓和電流 。 7. 考慮采用一個能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩為負(fù)載轉(zhuǎn)矩兩倍的電動機(jī) , 使具有一定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載 ,從轉(zhuǎn)速為 0開始 ,加速到轉(zhuǎn)速為 ωm的情況 。設(shè)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量為電動機(jī)的 5倍 ,無減速器直接驅(qū)動時的加速時間為 TS。 當(dāng)采用減速器時 ,為了把加速時間縮短為 TS／ 2, 試問應(yīng)選擇多大的減速比為宜 ？ 演講完畢，謝謝觀看！