1、機(jī)器人技術(shù)論文機(jī)器人技術(shù)論文摘要為使機(jī)器人完成各種任務(wù)和動(dòng)作所執(zhí)行的各種控制手段。 作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù), 計(jì) 算機(jī)控制技術(shù)包括范圍十分廣泛,從機(jī)器人智能、任務(wù)描述到運(yùn)動(dòng)控制和伺服控制等技術(shù)。 既包括實(shí)現(xiàn)控制所需的各種硬件系統(tǒng), 又包括各種軟件系統(tǒng)。 最早的機(jī)器人采用順序控制方 式, 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展, 機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝置的功能, 并采用示教再 現(xiàn)的控制方式。 隨著信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展, 以及機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大, 機(jī)器人控制 技術(shù)正朝著智能化的方向發(fā)展, 出現(xiàn)了離線編程、 任務(wù)級(jí)語(yǔ)言、多傳感器信息融合、智能行 為控制等新技術(shù)。多種技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)智能機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)

2、。當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。 反饋理論的要素包括三個(gè)部分:測(cè)量、 比較和執(zhí) 行。測(cè)量關(guān)心的變量,與期望值相比較, 用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和 應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是,做出正確的測(cè)量和比較后,如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID (比例 -積分 -微分控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 50多年歷史,現(xiàn)在仍然是應(yīng)用 最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 控制器簡(jiǎn)單易懂,使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件,因而 成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。它由于用途廣泛、使用靈活,已有系列化產(chǎn)品,使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)(Kp , Ti 和 Td 即可。 在很多情況下,并不一定需要全部三個(gè)單元,可以取其中

3、的一到兩個(gè)單元, 但比例控 制單元是必不可少的。關(guān)鍵詞:機(jī)器人,機(jī)器人控制, PID ,自動(dòng)控制第 1章引言機(jī)器人控制的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括:(1開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu):采用分布式 CPU 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu), 分為機(jī)器人控制器 (RC, 運(yùn)動(dòng)控制器 (MC,光電隔離 I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機(jī)器人控制器 (RC和編程示教盒通過(guò)串口 /CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器 (RC的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn) 動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字 I/O、傳感器處理等功能,而編程示教盒完成 信息的顯示和按鍵的輸入。(2模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng):軟件系統(tǒng)建立在基于開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)

4、操作系統(tǒng) Linux 上, 采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。 整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè) 層次:硬件驅(qū)動(dòng)層、 核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求, 對(duì)應(yīng)不同層次的 開(kāi)發(fā), 系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成, 這些功能模塊相互協(xié)作共同 實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能。(3機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù):通過(guò)各種信息,對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷,并進(jìn)行相 應(yīng)維護(hù),是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。第 2章機(jī)器人 PID 控制2.1 PID控制器的組成PID 控制器由比例單元(P 、積分單元(I 和微分單元(D 組成。其輸入 e (t與輸出 u (t的關(guān)系為 u(t=K

5、p(e(t+1/TI e(tdt+TD*de(t/dt式中積分的上下限分別是 0和 t ,因此它的傳遞函數(shù)為:G(s=U(s/E(s=kp(1+1/(TI*s+TD*s;其中 Kp 為比例系數(shù); TI 為積分時(shí)間常數(shù); TD 為微分時(shí)間常數(shù)。它由于用途廣泛、使用靈活,已有系列化產(chǎn)品,使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)(Kp , Ti 和 Td 即可。 在很多情況下,并不一定需要全部三個(gè)單元,可以取其中的一到兩個(gè)單元, 但比例控 制單元是必不可少的。首先, PID 應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的,但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基 本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng),這樣 PID 就可控制了。其次, P

6、ID 參數(shù)較易整定。 也就是, PID 參數(shù) Kp , Ti 和 Td 可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。 如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化,例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化, PID 參數(shù)就可以 重新整定。2.2 PID控制器的研究現(xiàn)狀雖然有這些缺點(diǎn), PID 控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器。目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。 同時(shí), 控制理論的發(fā) 展也經(jīng)歷了古典控制理論、 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。 智能控制的典型實(shí)例是 模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接 口。控制器的輸出經(jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu),加到被控

7、系統(tǒng)上;控制系統(tǒng)的被控量,經(jīng)過(guò)傳 感器,變送器,通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng),其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 是不一樣的。 比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。 電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。 目前, PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器(儀表已經(jīng)很多,產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到 了廣泛的應(yīng)用,有各種各樣的 PID 控制器產(chǎn)品,各大公司均開(kāi)發(fā)了具有 PID 參數(shù)自整定功能 的智能調(diào)節(jié)器, 其中 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、 自適應(yīng)算法來(lái) 實(shí)現(xiàn)。2.3 PID控制器的不足在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 PID 控制器控制得很好, 但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要

8、解決:如果自整定要以模型為基礎(chǔ), 為了 PID 參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。 閉環(huán)工作時(shí),要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng),所以基于模型的 PID 參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的, 經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的 影響區(qū)分開(kāi)來(lái), 因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào), 產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。 另 外,由于基于控制律的系統(tǒng)沒(méi)有成熟的穩(wěn)定性分析方法,參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。 因此, 許多自身整定參數(shù)的 PID 控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。 自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開(kāi)環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過(guò)

9、程模型自動(dòng)計(jì)算 PID 參數(shù)。PID 在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí),工作地不是太好。最重 要的是,如果 PID 控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程,無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。第 3章 PID 控制的原理和特點(diǎn)3.1 PID控制的原理在工程實(shí)際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱(chēng) PID 控制, 又稱(chēng) PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 穩(wěn)定性好、工作可 靠、 調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握, 或 得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí), 控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí), 系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必

10、須 依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定, 這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系 統(tǒng)和被控對(duì)象, 或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí), 最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制,實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分 計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例(P 控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 當(dāng)僅有比 例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分(I 控制在積分控制中, 控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng), 如 果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差, 則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)

11、態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。 為了消 除穩(wěn)態(tài)誤差, 在控制器中必須引入積分項(xiàng)。 積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分, 隨著時(shí)間的增 加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制 器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例 +積分 (PI控制器,可以使系 統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D 控制在微分控制中, 控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率成正比關(guān)系。 自動(dòng) 控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。 其原因是由于存在有較大慣性 環(huán)節(jié)或有滯后組件, 具有抑制誤差的作用, 其變化總是落后于誤差的變化。 解決的辦法是使 抑制誤差的

12、作用的變化超前,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō), 在控制器中僅引入比例項(xiàng)往往是不夠的, 比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值, 而目前需要增 加的是微分項(xiàng),它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有比例 +微分的控制器,就能夠提前使 抑制誤差的控制作用等于零, 甚至為負(fù)值, 從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 所以對(duì)有較大慣 性或滯后的被控對(duì)象,比例 +微分 (PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。3.2 PID控制的特點(diǎn)在 PID 控制中,積分控制的特點(diǎn)是:只要還有余差(即殘余的控制偏差存在,積分控制 就按部就班地逐漸增加控制作用, 直到余差消失。 所以積分的效果比較緩慢, 除特殊情

13、況外, 作為基本控制作用, 緩不救急。 微分控制的特點(diǎn)是:盡管實(shí)際測(cè)量值還比設(shè)定值低,但其快 速上揚(yáng)的沖勢(shì)需要及早加以抑制, 否則, 等到實(shí)際值超過(guò)設(shè)定值再作反應(yīng)就晚了, 這就是微 分控制施展身手的地方了。作為基本控制使用,微分控制只看趨勢(shì),不看具體數(shù)值所在,所 以最理想的情況也就是把實(shí)際值穩(wěn)定下來(lái), 但穩(wěn)定在什么地方就要看你的運(yùn)氣了, 所以微分 控制也不能作為基本控制作用。 比例控制沒(méi)有這些問(wèn)題, 比例控制的反應(yīng)快,穩(wěn)定性好,是 最基本的控制作用, 是 “皮” , 積分、 微分控制是對(duì)比例控制起增強(qiáng)作用的, 極少單獨(dú)使用, 所以是”毛” 。在實(shí)際使用中比例和積分一般一起使用,比例承擔(dān)主要的控

14、制作用,積分幫 助消除余差。微分只有在被控對(duì)象反應(yīng)遲緩, 需要在開(kāi)始有所反應(yīng)時(shí), 及早補(bǔ)償, 才予以采 用。只用比例和微分的情況很少見(jiàn)。第 4章 PID 控制器的參數(shù)整定PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定 PID 控制 器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類(lèi):一是理論計(jì)算整定法。 它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參 數(shù)。 這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用, 還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 二 是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn), 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方法簡(jiǎn)單、

15、 易于 掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反 應(yīng)曲線法和衰減法。 三種方法各有其特點(diǎn), 其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn), 然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式 對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。 但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù), 都需要在實(shí)際運(yùn)行中 進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的 整定步驟如下:(1首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作; (2僅加入比例控制環(huán)節(jié), 直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期; (3在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。總結(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)

16、是機(jī)器人的大腦, 是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。 機(jī)器人控制器是根 據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置, 它是機(jī)器人的心臟, 決 定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。 機(jī)器人技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)、 電子、 控制等多學(xué)科專(zhuān)業(yè),是近年來(lái)高新 技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展, 機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大, 對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高的要求, 因此, 如何有效地將其他領(lǐng)域 (如圖像處理、 聲音識(shí)別、 最優(yōu)控制、 人工智能等 的研究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中, 是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn) 性的研究工作. 而具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、 標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器的研究無(wú)疑對(duì)提高機(jī)器人 性能和自主能力、推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。參考文獻(xiàn)2孟憲員源,姜琪主編 . 機(jī)構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用,第一版,機(jī)械工業(yè)出版社, 2004, 43、 145-146、 274、 151-152、 607-6093談欣柏主編 . 大學(xué)物理,第一版,天津大學(xué)出版社, 2000, 2-224成大先主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),第一版,化學(xué)工業(yè)出版社, 2005, 76-84、 99-141, 157-160 5加騰一郎主編 . 機(jī)械手圖冊(cè),第