1、第六章機器人控制系統(tǒng)6.1 機器人控制系統(tǒng)概述6.2伺服控制系統(tǒng)本【內(nèi)容提要】本課主要學習自動控制系統(tǒng)的發(fā)展和分類，最簡單的控制系統(tǒng)的概念和組成，自動化技術(shù)的四個基本環(huán)節(jié)，機器人控制系統(tǒng)的特點，伺服控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、動態(tài)參數(shù)等內(nèi)容。知識要點：?自動控制理論發(fā)展的四個階段和分類?最簡單的控制系統(tǒng)的組成?自動化技術(shù)包括四個基本環(huán)節(jié)?機器人控制系統(tǒng)的特點、控制方式、基本要素?伺服控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、動態(tài)參數(shù)重點：?掌握簡單控制系統(tǒng)?機器人控制系統(tǒng)的特點、控制方式、基本要素難點：?伺服控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、動態(tài)參數(shù)關(guān)鍵字:機器人控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、動態(tài)參數(shù)事【本課內(nèi)容】6.1 機器人的控制系

2、統(tǒng)概述機器人的控制系統(tǒng)主要對機器人工作過程中的動作順序、應(yīng)到達的位置及姿態(tài)、路徑軌跡及規(guī)劃、動作時間間隔以及末端執(zhí)行器施加在被作用物上的力和轉(zhuǎn)矩等進行控制。目前廣泛便用的工業(yè)機器人中，控制機多為微型計算機外部有控制柜封裝。如瑞典ABB公司的IRB系列機器人、德國庫卡公司的KB系列機器人、日本安川公司的MOTOMAN器人、日本發(fā)那科公司的Mate系列機器人等.這類機器人一般采用示教一再現(xiàn)的工作方式，機器人的作業(yè)路徑、運動參數(shù)由操作者手把手示教或通過程序設(shè)定，機器人重復(fù)再現(xiàn)示教的內(nèi)容；機器人配有簡單的內(nèi)部傳感器，用來感知運行速度、位置和姿態(tài)等，還可以配各簡易的視覺、力傳感器感知外部環(huán)境。近年來，智

3、能機器人的研究如火如荼。這類機器人的控制機多為計算機，處理的信息量大，控制算法復(fù)雜.同時配備了多種內(nèi)部、外部傳感器，不但能感知內(nèi)部關(guān)節(jié)運行速度及力的大小，還能對外部的環(huán)境信息進行感知、反饋和處理。機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。機器人控制系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)：集中控制、主從控制和分布式控制。6.1.1 自動控制系統(tǒng)機器人控制立足于控制理論，是自動控制理論的發(fā)展新方向。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發(fā)展的、

4、具有強大生命力的新興學科。從1868年麥克斯韋（馬克斯威爾，J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。控制論是關(guān)于怎樣把機械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并且具有特定性能的系統(tǒng)的科學。這門新科學的一個非常突出的特點就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，可是，在其他各門自然科學中，這些因素是十分重要的。控制論所討論的主要問題是一個系統(tǒng)的各個不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個系統(tǒng)

5、的總體運動狀態(tài)。中國早在1986年批準863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題。一個最簡單的控制系統(tǒng)應(yīng)包括的檢測、控制和執(zhí)行三個部分，它們與工作對象一起構(gòu)成一個完整的自動化系統(tǒng)一一反饋控制系統(tǒng)。反饋控制的原理是，首先檢測出實際輸出，并與期望輸出相比較，然后進行誤差補償，計算出控制量，并用執(zhí)行器來控制工作對象，使實際輸出向期望輸出逼近。目前大多使用微處理器或計算機構(gòu)成控制器、裝置、系統(tǒng)，來完成控制要求的計算、通訊與各種信息處理，并采用大量的傳感器獲取各種信息和執(zhí)行器完成各種復(fù)雜的操作。一個采用計算機控制的典型自動化系統(tǒng)，除了三個基本環(huán)節(jié)外，增加了模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)

6、換和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換，以便于微處理器實現(xiàn)控制計算。計算機控制系統(tǒng)是用工控機來實現(xiàn)工業(yè)過程自動控制的系統(tǒng)。DA執(zhí)行器fAD+變送器被控對象被控變量圖6.1計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.4所示。它雖然表示的僅僅是一個典型的負反饋閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)圖，但實際上它深刻地反映了自動化技術(shù)的許多知識之間的關(guān)系與聯(lián)系。大部分實際運行的自動化系統(tǒng)（包括大型復(fù)雜系統(tǒng)中的許多子系統(tǒng)）可歸納為這個典型結(jié)構(gòu)。這個負反饋閉環(huán)控制圖是自動化控制的本質(zhì)圖、核心圖。從信息與物質(zhì)、能量的角度去分析它，從數(shù)字量與模擬量的角度去觀察這個圖，從設(shè)備控制和非設(shè)備控制的角度去理解這個圖，可以發(fā)現(xiàn)幾乎所有的與

7、自動化技術(shù)有關(guān)的控制方面的知識都能從圖1.4所示的典型負反饋閉環(huán)控制中反映出來，換句話說，完成一個基本系統(tǒng)的反饋控制需要到幾乎全部自動化知識領(lǐng)域中的知識。因此，將負反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖中的每一部分作為自動化技術(shù)中的一個知識領(lǐng)域十分合適，圖6.2給出了這種對應(yīng)關(guān)系。、控制器（智能自動化技術(shù)包括四個基本環(huán)節(jié)：被控對象、變送器（傳感與檢測技術(shù)）控制技術(shù)）、執(zhí)行器（執(zhí)行與驅(qū)動技術(shù)），其他輔助儀表根據(jù)需要選擇。k擾變退器傳感與檢雙技術(shù)工金-IXJ執(zhí)行黑凹*執(zhí)濘與蜘技術(shù)被控對美圖6.2自動化技術(shù)知識體系控制器：模擬控制器（調(diào)節(jié)器）、數(shù)字控制器（調(diào)節(jié)器）；PLC（可編程邏輯控制器）、DCS（集散控制系統(tǒng)）、現(xiàn)

8、場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等。執(zhí)行器：1、閥門：調(diào)節(jié)閥、電磁閥、氣動蝶閥等；2、泵：開關(guān)泵、變頻泵等；電機：步進電機、伺服電動機等；4、液壓執(zhí)行機構(gòu)等變送器：（溫度壓力、液位、流量）變送器、液位開關(guān)、料位開關(guān)、接近開關(guān)（通常輸出（ON/OFFB號）、成分分析儀（通常輸出：4-20mA、1-5V等標準信號）、其他各種傳感檢測裝置。另外，輔助儀表合理選用實施系統(tǒng)的完善，中間還有涉及信號和能量的轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)過程自動化的核心是自動調(diào)節(jié)裝置。工業(yè)生產(chǎn)過程控制的任務(wù)是根據(jù)不同的生產(chǎn)過程和特點，采用自動化工具即過程控制儀表及裝置，結(jié)合控制理論設(shè)計控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化。6.1.2 自動控制系統(tǒng)的分類由于劃分

9、過程控制類別的方式不同，有各種不同的名稱。1 .按被控變量分類，有速度控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。2 .按控制器的控制算法來分，有比例（P）控制系統(tǒng)、比例積分（PI）控制系統(tǒng)、比例積分微分（PID）控制系統(tǒng)及位式控制系統(tǒng)等。3 .按控制系統(tǒng)的模式來分，有比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)及自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。4 .按控制器信號來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)。5 .按是否采用計算機來分有常規(guī)的儀表控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。6 .按控制系統(tǒng)所完成的功能來分，有串級控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。7 .按控制系統(tǒng)組成回路的情況來分，有單

10、回路控制系統(tǒng)與多回路控制系統(tǒng)、或開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)等。以上是人們視具體情況所采用的不同的分類，并沒有什么嚴格的規(guī)定。而作為過程控制而言，主要是分析反饋控制的特性，這就和設(shè)定值有密切關(guān)系，因此按設(shè)定值來分類則更有意義。以上這些分類只反映了不同控制系統(tǒng)某一方面的特點，人們視具體情況可以采用不同的分類方法，其中并無原則的規(guī)定。研究反饋控制系統(tǒng)的特性，按設(shè)定值的形式不同，可將自動控制系統(tǒng)分為以下三類。1,定值控制系統(tǒng)將系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值保持某一定值(或在某一很小范圍內(nèi)不變)的控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。在定值控制系統(tǒng)中，設(shè)定值固定不變，引起系統(tǒng)變化的只是擾動信號。這種控制系統(tǒng)是應(yīng)用最多的一種。

11、2,隨動控制系統(tǒng)對于有的生產(chǎn)過程，其被控變量是變化的，即控制系統(tǒng)的設(shè)定值不是定值，而是無規(guī)律變化的，自動控制的目的是要使被控變量相當準確而及時地跟隨設(shè)定值的變化。例如，加熱爐的燃料與空氣的混合比控制，燃料量是按工藝過程的需要而設(shè)定的，這個設(shè)定值又隨生產(chǎn)流程的要求而自動或手動改變，也就是說，燃料量在變化，控制系統(tǒng)就要使空氣量跟隨燃料量的變化，自動按預(yù)先規(guī)定的比例而相應(yīng)地增減空氣量，以保證燃料合理而經(jīng)濟地燃燒，這就是隨動控制系統(tǒng)。自動平衡記錄儀的平衡機構(gòu)就是跟隨被測信號的變化自動達到平衡位置，是一種典型的隨動控制系統(tǒng)。8 .程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值是按預(yù)定的時間程序變化的。控制的目

12、的是使被控變量按規(guī)定的程序自動變化。如工業(yè)熱處理爐等周期作業(yè)的加熱設(shè)備，一般都有升溫、保溫和降溫等按時間變化的規(guī)律，設(shè)定值按此程序進行控制，以達到控制的目的。自動控制系統(tǒng)涉及工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，不同的工藝過程控制有不同的要求。但總的歸納起來有三個方面的要求：安全性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。6.1,3機器人控制系統(tǒng)及控制方式1機器人控制系統(tǒng)的特點機器人控制系統(tǒng)和一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，機器人控制系統(tǒng)有如下特點。(1)與機構(gòu)運動學及動力學密切相關(guān)的控制系統(tǒng)機器人的控制與機構(gòu)運動學及動力學密切相關(guān)，機器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標下進行描述，應(yīng)當根據(jù)需要，選擇不同的參考坐標系，并做適當?shù)淖鴺俗儞Q。經(jīng)

13、常要求解運動學正問題和逆問題，除此之外還要考慮慣性力、外力(包括重力)及哥氏力、向心力的影響。(2)多變量控制系統(tǒng)一個機器人至少有3-5個自由度，比較復(fù)雜的機器人有十幾個、甚至幾十個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機構(gòu)，他們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)，(3)計算機控制系統(tǒng)把多個獨立的伺服系統(tǒng)有機地協(xié)調(diào)起來，使其按照人的意志行動，賦予機器人一定的“智能”，這個任務(wù)只能由計算機來完成。因此，機器人控制系統(tǒng)必須是一個計算機控制系統(tǒng)，同時，計算機軟件擔負著艱巨的任務(wù)。(4)耦合非線性控制系統(tǒng)描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外界環(huán)境的變化，其參數(shù)也在變化

14、9;各變量之間還存在耦合，因此，僅僅利用位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度閉環(huán)甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補償、前饋人解耦或自適應(yīng)控制等方法。(5)尋優(yōu)控制系統(tǒng)機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個“最優(yōu)”的問題。借助信息庫進控制、較高級的機器人可以用人工智能的方法，用計算機建立起龐大的信息庫,決策、管理和操作。根據(jù)傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況，按照給定的指標要求，自動她選擇最佳的控制規(guī)律。總而言之，機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng).由于它的特殊性，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能照搬使用。到目前為止，機

15、器人控制理論還是不完整、不系統(tǒng)的，相信隨著機器人事業(yè)的發(fā)展，機器人控制理論必將日趨成熟。2機器人的控制方式按照控制反饋方式分，機器人的控制方式可分為非伺服型控制方式和伺服型控制方式。按照機器人手部在空間的運動方式分，機器人的控制方式可分為點位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服控制。不同的工藝要求，就有不同的控制方式相匹配。(1)控制作用輸出方式按照機器人的控制作用輸出方式，機器人的控制方式可分為力控制方式、速度控制方式等類型。1)力控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位之外，還要求使用適度的力或轉(zhuǎn)矩進行工作，這時就要利用力(轉(zhuǎn)矩)伺服方式，這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過

16、輸人量和反饋量不是位置信號，而是力(轉(zhuǎn)矩)信號，因此系統(tǒng)中必須有力(轉(zhuǎn)矩)傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進行自適應(yīng)式控制。2)速度控制方式：機器人運動的控制實際上是通過各軸伺服系統(tǒng)分別控制來實現(xiàn)的，分解運動的速度控制要求各伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器以不同的分速度同時聯(lián)合運行，能保證機器人末端執(zhí)行器沿笛卡爾坐標軸穩(wěn)定地運行.控制時先把末端執(zhí)行器期望的笛卡爾位姿分解為各關(guān)節(jié)的期望速度，然后再對各關(guān)節(jié)進行伺服控制。(2)控制命令來源按照機器人的控制命令來源不同，機器人的控制方式方位程序控制方式、自適宜控制方式、智能控制方式和其他控制方式。（3）機器人的控制功能機器人的控制功能就是對機器人工作過程中的動

17、作順序、位置、姿態(tài)、路徑、動作時間，末端執(zhí)行器實施力和力矩等的控制。主要涉及示教再現(xiàn)功能和運動控制功能。1）示教再現(xiàn)功能是指示教人員預(yù)先將機器作業(yè)的各項參數(shù)預(yù)先教給機器人，在示教的過程中，機器人控制系統(tǒng)的記憶裝置就將所教的操作過程自動地記錄在存儲器中。當需要機器人工作時，機器人的控制系統(tǒng)就調(diào)用存儲器中儲存的各項數(shù)據(jù)，使機器人再現(xiàn)教過的操作過程，完成作業(yè)任務(wù)。2）運動控制功能是指通過對機器人手部在空間的位置、速度、加速度等項的控制，使得機器人的手部按作業(yè)的要求進行動作，完成作業(yè)任務(wù)。（4）機器人控制的關(guān)鍵技術(shù)包括五個方面：1）開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2）模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)3）機器

18、人的故障診斷與安全維護技術(shù)4）網(wǎng)絡(luò)化機器人控制器技術(shù)（5）機器人示教包括直接示教和離線示教。1）直接示教：手把手示教，由人直接搬動機器人的手臂對機器人進行示教，如示教盒示教或操作桿示教等。2）離線示教：不對實際作業(yè)的機器人直接進行示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境生成示教數(shù)據(jù)，間接地對機器人進行示教。6.1.2機器人控制系統(tǒng)的基本單元。機器人控制系統(tǒng)的組成包括：（1）控制計算機、（2）示教盒、（3）操作面板、（4）硬盤和軟盤存儲、（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出、（6）打印機接口、（7）傳感器接口、（8）軸控制器、（9）輔助設(shè)備控制、（10）通信接口、（11）網(wǎng)絡(luò)接口機器人控制系統(tǒng)的基本要素包括驅(qū)動裝置、傳

19、動裝置、運動特性檢測傳感器、控制器硬件和控制器軟件。（1）驅(qū)動裝置作為驅(qū)動機器人的驅(qū)動力，常見的有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、直流伺服電機驅(qū)動、交流伺服電機的驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。由于直流伺服電機或交流伺服電機的流經(jīng)電流較大，一般從數(shù)安培到幾十安培，機器人電機的驅(qū)動需要使用大功率的驅(qū)動電路，為了實現(xiàn)對電機運動特性的控制，機器人常采用脈沖寬度調(diào)制(PWM方式進行驅(qū)動。(2)傳動裝置傳動裝置是為了增加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、降低運動速度，機器人常用的傳動裝置在之前已經(jīng)進行了詳細的討論。(3)運動特性檢測傳感器機器人運動特性檢測傳感器用于檢測機器人運動的位置、速度和加速度等參數(shù)機器人常用的傳感器在之前已經(jīng)進行詳細的討論。(

20、4)控制器的硬件機器人的控制器是以計算機為基礎(chǔ)的，機器人控制器的硬件系統(tǒng)采用的是二級結(jié)構(gòu)，第一級為協(xié)調(diào)級，第二級為執(zhí)行級.協(xié)調(diào)級實現(xiàn)對機器人各個關(guān)節(jié)的運動，實現(xiàn)機器人和外界環(huán)境的信息交換等功能，執(zhí)行級實現(xiàn)機器人的各個關(guān)節(jié)的伺服控制，獲得機器人內(nèi)部的運動狀態(tài)參數(shù)等功能，(5)控制系統(tǒng)的軟件機器人的控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對機器人運動特性的計算、機器人的智能控制和機器人與人的信息交換等功能。(6)工業(yè)機器人控制的特點1)傳統(tǒng)的自動機械是以自身的動作為重點，而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)則更著重本體與操作對象的相互關(guān)系。2)工業(yè)機器人的控制與機構(gòu)運動學及動力學密切相關(guān)。3)每個自由度一般包含一個伺服機構(gòu)，多個獨立的

21、伺服系統(tǒng)必須有機地協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量的控制系統(tǒng)。4)描述工業(yè)機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅是位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度、甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中還經(jīng)常采用一些控制策略，比如使用重力補償、前饋、解耦、基于傳感信息的控制和最優(yōu)PID控制等。5)工業(yè)機器人還有一種特有的控制方式一一示教再現(xiàn)控制方式。5.2伺服控制系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)。伺伺服控制系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng),伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀服系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任

22、意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于國防軍工，如火炮的控制，船艦、飛機的自動駕駛，導(dǎo)彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國民經(jīng)濟的許多部門，如自動機床、無線跟蹤控制等。在很多情況下，伺服控制系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械

23、位移（轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。早期的工業(yè)機器人都用液壓、氣壓方式來進行伺服驅(qū)動，隨著大功率交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，目前大部分被電氣驅(qū)動方式所代替，只有在少數(shù)要求超大的輸出功率、防爆、低運動精度的場合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動。電氣驅(qū)動無環(huán)境污染，響應(yīng)快，精度高，成本低，控制方便。電氣驅(qū)動按照驅(qū)動執(zhí)行元件的不同又分為步進電動機驅(qū)動、直流伺服電動機驅(qū)動和交流伺服電動機驅(qū)動三種不同形式；按照伺服控制方式分可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。步進電動機驅(qū)動一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低，適

24、用子位置精度要求不高的機器人中：交、直流伺服電動機用子閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)可以精確測量機器人關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的實際位置信息，并與理論值進行比較，把比較后的差值反饋輸人，修改指令進給值，所以這類系統(tǒng)具有很高的控制精度。由于伺服系統(tǒng)服務(wù)對象很多，如機器人臂部位置控制、手部末端軌跡控制、計算機光盤驅(qū)動控制、雷達跟蹤系統(tǒng)、迸給跟蹤系統(tǒng)等，因而對伺服系統(tǒng)的要求也有差別。工程上對伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求很具體，可以歸納為以下幾個方面：對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的要求；對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求；對系統(tǒng)工作環(huán)境條件的要求：對系統(tǒng)制造威本、運行的經(jīng)濟性、標準化程度、能源條件等方面的要求。雖然因服務(wù)對象的運動部件、檢測

25、部件以及機械結(jié)構(gòu)等的不同而對伺服系統(tǒng)的要求存在差異，但所有伺服系統(tǒng)的共同點是帶動控制對象按照指定規(guī)律作機械運動。從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)五部分。伺服系統(tǒng)組成原理框圖如圖6.3所示。輸入指令比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件披控對象輸出量測量、反饋元件圖6.3伺服系統(tǒng)組成原理框圖(1)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。(2)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)即控制器，通常是計算機或PID控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求

26、動作。(3)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動被控對象工作。(4)被控對象被控對象是指被控制的機構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體.被控對象一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載。(5)檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不成立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中，如測速直流電動機既是執(zhí)行元件又是檢測元件。2伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)若控制系統(tǒng)沒有檢測反饋裝置則稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)。它主要由驅(qū)動電路、執(zhí)行元件和被控對象三部分組成。常用的執(zhí)行元件是步

27、進電動機，通常以步進電動機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)稱為步進式伺服系統(tǒng)。驅(qū)動電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但精度不是很高，目前，大多數(shù)經(jīng)濟型數(shù)控機床采用開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，近年來，老式機床在數(shù)控化改造時，工作臺的迸給系統(tǒng)廣泛采用開環(huán)控制，這種控制的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6.4所示，數(shù)控裝置發(fā)出脈沖指令，經(jīng)過脈沖分配和功率放大后，驅(qū)動步進電動機和傳動件累積誤差。因此，開環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低，一般可達到001m皿左右，且速度也有一定的限制。圖6.4開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖雖然開環(huán)控制在精度方面有不足，但其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、調(diào)整和維修都比較方便。另外，由于被控量不以任何形式反饋

28、到輸入端，所以其工作穩(wěn)定(可靠。因此，在一些精度、速度要求不是很高的場合，如線切割機、辦公自動化設(shè)備中還是獲得了廣泛應(yīng)用。(2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)通常把安裝在電動機軸端的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，由于電動機軸端和被控對象之間存在傳動誤差，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一環(huán)伺服系統(tǒng)的區(qū)別在于其檢測元件位于系統(tǒng)傳動鏈的中間，故稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。顯然，由于有部分傳動鏈在系統(tǒng)閉環(huán)之外，故其定位精度比全閉環(huán)的稍差，但由于測量角位移比測量線位移容易，并可在傳動鏈的任何轉(zhuǎn)動部位進行角位移的測量和反饋，所以結(jié)構(gòu)比較簡單,調(diào)整、維護也比較方便。由于將慣性質(zhì)量很大的工作臺排除在閉環(huán)之外

29、，這種系統(tǒng)調(diào)試比較容易、穩(wěn)定性好，具有較高的性價比，被廣泛應(yīng)用于各種機電一體化設(shè)備。(3)全閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖6.6所示是一個全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，安裝在工作臺上的位置檢測器可以是直線感應(yīng)同步器或長光柵，它可將工作臺的直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，并在比較環(huán)節(jié)與指令脈沖相比較，所得到的偏差值經(jīng)過放大，控制伺服電動機驅(qū)動工作臺向偏差減小的方向移動。若數(shù)控裝置中的脈沖指令不斷地產(chǎn)生，工作臺就不斷隨之移動，直到偏差等于零為止。圖6.6全閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖全閉環(huán)伺服系統(tǒng)將位置檢測器件直接安裝在工作臺上，從而可獲得工作臺實際位置的精確信息，定位精度可以達到亞微米級。從理論上講，其精度主要取決于檢測反饋部件的誤差，而與放大器、傳動裝置沒有直接的聯(lián)系，實現(xiàn)高精度位置控制的一種理想的控制方案。但實現(xiàn)起來難度很大，機械傳動鏈的慣量、間隙、摩擦、剛性等非線性因素都會給伺服系統(tǒng)造成影響，