1、第六章機器人控制系統6.1 機器人控制系統概述6.2伺服控制系統本【內容提要】本課主要學習自動控制系統的發展和分類，最簡單的控制系統的概念和組成，自動化技術的四個基本環節，機器人控制系統的特點，伺服控制系統的概念、結構、動態參數等內容。知識要點：?自動控制理論發展的四個階段和分類?最簡單的控制系統的組成?自動化技術包括四個基本環節?機器人控制系統的特點、控制方式、基本要素?伺服控制系統的概念、結構、動態參數重點：?掌握簡單控制系統?機器人控制系統的特點、控制方式、基本要素難點：?伺服控制系統的概念、結構、動態參數關鍵字:機器人控制系統、伺服控制系統、動態參數事【本課內容】6.1 機器人的控制系

2、統概述機器人的控制系統主要對機器人工作過程中的動作順序、應到達的位置及姿態、路徑軌跡及規劃、動作時間間隔以及末端執行器施加在被作用物上的力和轉矩等進行控制。目前廣泛便用的工業機器人中，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的工作方式，機器人的作業路徑、運動參數由操作者手把手示教或通過程序設定，機器人重復再現示教的內容；機器人配有簡單的內部傳感器，用來感知運行速度、位置和姿態等，還可以配各簡易的視覺、力傳感器感知外部環境。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，控制算法復雜.同時配備了多種內部、外部傳感器，不但能感知內部關節運行速度及力的大小，還能對外部的環境信息進行感知、反饋和處理。機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業機器人控制技術的主要任務就是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等。機器人控制系統有三種結構：集中控制、主從控制和分布式控制。6.1.1 自動控制系統機器人控制立足于控制理論，是自動控制理論的發展新方向。自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發展的、

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）提出低階系統穩定性判據至今一百多年里，自動控制理論的發展可分為四個主要階段：第一階段：經典控制理論（或古典控制理論）的產生、發展和成熟；第二階段：現代控制理論的興起和發展；第三階段：大系統控制興起和發展階段；第四階段：智能控制發展階段。控制論是關于怎樣把機械元件和電氣元件組合成穩定的并且具有特定性能的系統的科學。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的各個不同部分之間的相互作用的定性性質，以及整個系統

5、的總體運動狀態。中國早在1986年批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統和智能機器人兩個主題。一個最簡單的控制系統應包括的檢測、控制和執行三個部分，它們與工作對象一起構成一個完整的自動化系統一一反饋控制系統。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成控制器、裝置、系統，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行器完成各種復雜的操作。一個采用計算機控制的典型自動化系統，除了三個基本環節外，增加了模/數（A/D）轉

6、換和數/模（D/A）轉換，以便于微處理器實現控制計算。計算機控制系統是用工控機來實現工業過程自動控制的系統。DA執行器fAD+變送器被控對象被控變量圖6.1計算機閉環控制系統結構框圖計算機閉環控制系統結構框圖如圖1.4所示。它雖然表示的僅僅是一個典型的負反饋閉環控制的結構圖，但實際上它深刻地反映了自動化技術的許多知識之間的關系與聯系。大部分實際運行的自動化系統（包括大型復雜系統中的許多子系統）可歸納為這個典型結構。這個負反饋閉環控制圖是自動化控制的本質圖、核心圖。從信息與物質、能量的角度去分析它，從數字量與模擬量的角度去觀察這個圖，從設備控制和非設備控制的角度去理解這個圖，可以發現幾乎所有的與

7、自動化技術有關的控制方面的知識都能從圖1.4所示的典型負反饋閉環控制中反映出來，換句話說，完成一個基本系統的反饋控制需要到幾乎全部自動化知識領域中的知識。因此，將負反饋閉環控制結構圖中的每一部分作為自動化技術中的一個知識領域十分合適，圖6.2給出了這種對應關系。、控制器（智能自動化技術包括四個基本環節：被控對象、變送器（傳感與檢測技術）控制技術）、執行器（執行與驅動技術），其他輔助儀表根據需要選擇。k擾變退器傳感與檢雙技術工金-IXJ執行黑凹*執濘與蜘技術被控對美圖6.2自動化技術知識體系控制器：模擬控制器（調節器）、數字控制器（調節器）；PLC（可編程邏輯控制器）、DCS（集散控制系統）、現

8、場總線、工業以太網等。執行器：1、閥門：調節閥、電磁閥、氣動蝶閥等；2、泵：開關泵、變頻泵等；電機：步進電機、伺服電動機等；4、液壓執行機構等變送器：（溫度壓力、液位、流量）變送器、液位開關、料位開關、接近開關（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的完善，中間還有涉及信號和能量的轉變。生產過程自動化的核心是自動調節裝置。工業生產過程控制的任務是根據不同的生產過程和特點，采用自動化工具即過程控制儀表及裝置，結合控制理論設計控制系統，實現工業生產過程自動化。6.1.2 自動控制系統的分類由于劃分

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、溫度控制系統、壓力控制系統等。2 .按控制器的控制算法來分，有比例（P）控制系統、比例積分（PI）控制系統、比例積分微分（PID）控制系統及位式控制系統等。3 .按控制系統的模式來分，有比值控制系統、均勻控制系統、前饋控制系統及自適應控制系統等。4 .按控制器信號來分，有模擬控制系統與數字控制系統。5 .按是否采用計算機來分有常規的儀表控制系統、計算機控制系統、集散控制系統和現場總線控制系統等。6 .按控制系統所完成的功能來分，有串級控制系統、均勻控制系統、自適應控制系統等。7 .按控制系統組成回路的情況來分，有單

10、回路控制系統與多回路控制系統、或開環控制系統與閉環控制系統等。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，這就和設定值有密切關系，因此按設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，其中并無原則的規定。研究反饋控制系統的特性，按設定值的形式不同，可將自動控制系統分為以下三類。1,定值控制系統將系統被控變量的設定值保持某一定值(或在某一很小范圍內不變)的控制系統稱為定值控制系統。在定值控制系統中，設定值固定不變，引起系統變化的只是擾動信號。這種控制系統是應用最多的一種。

11、2,隨動控制系統對于有的生產過程，其被控變量是變化的，即控制系統的設定值不是定值，而是無規律變化的，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定的，這個設定值又隨生產流程的要求而自動或手動改變，也就是說，燃料量在變化，控制系統就要使空氣量跟隨燃料量的變化，自動按預先規定的比例而相應地增減空氣量，以保證燃料合理而經濟地燃燒，這就是隨動控制系統。自動平衡記錄儀的平衡機構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。8 .程序控制系統程序控制系統被控變量的設定值是按預定的時間程序變化的。控制的目

12、的是使被控變量按規定的程序自動變化。如工業熱處理爐等周期作業的加熱設備，一般都有升溫、保溫和降溫等按時間變化的規律，設定值按此程序進行控制，以達到控制的目的。自動控制系統涉及工業生產的各個領域，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、經濟性和穩定性。6.1,3機器人控制系統及控制方式1機器人控制系統的特點機器人控制系統和一般的伺服系統或過程控制系統相比，機器人控制系統有如下特點。(1)與機構運動學及動力學密切相關的控制系統機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關，機器人手足的狀態可以在各種坐標下進行描述，應當根據需要，選擇不同的參考坐標系，并做適當的坐標變換。經

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)多變量控制系統一個機器人至少有3-5個自由度，比較復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，他們必須協調起來，組成一個多變量控制系統，(3)計算機控制系統把多個獨立的伺服系統有機地協調起來，使其按照人的意志行動，賦予機器人一定的“智能”，這個任務只能由計算機來完成。因此，機器人控制系統必須是一個計算機控制系統，同時，計算機軟件擔負著艱巨的任務。(4)耦合非線性控制系統描述機器人狀態和運動的數學模型是一個非線性模型，隨著狀態的不同和外界環境的變化，其參數也在變化

14、9;各變量之間還存在耦合，因此，僅僅利用位置閉環是不夠的，還要利用速度閉環甚至加速度閉環。系統中經常使用重力補償、前饋人解耦或自適應控制等方法。(5)尋優控制系統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”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。根據傳感器和模式識別的方法獲得對象及環境的工況，按照給定的指標要求，自動她選擇最佳的控制規律。總而言之，機器人控制系統是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統.由于它的特殊性，經典控制理論和現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、不系統的，相信隨著機器人事業的發展，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矩進行工作，這時就要利用力(轉矩)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(轉矩)信號，因此系統中必須有力(轉矩)傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進行自適應式控制。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分別控制來實現的，分解運動的速度控制要求各伺服系統的驅動器以不同的分速度同時聯合運行，能保證機器人末端執行器沿笛卡爾坐標軸穩定地運行.控制時先把末端執行器期望的笛卡爾位姿分解為各關節的期望速度，然后再對各關節進行伺服控制。(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、路徑、動作時間，末端執行器實施力和力矩等的控制。主要涉及示教再現功能和運動控制功能。1）示教再現功能是指示教人員預先將機器作業的各項參數預先教給機器人，在示教的過程中，機器人控制系統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，機器人的控制系統就調用存儲器中儲存的各項數據，使機器人再現教過的操作過程，完成作業任務。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的要求進行動作，完成作業任務。（4）機器人控制的關鍵技術包括五個方面：1）開放性模塊化的控制系統體系結構2）模塊化層次化的控制器軟件系統3）機器

18、人的故障診斷與安全維護技術4）網絡化機器人控制器技術（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：不對實際作業的機器人直接進行示教，而是脫離實際作業環境生成示教數據，間接地對機器人進行示教。6.1.2機器人控制系統的基本單元。機器人控制系統的組成包括：（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）輔助設備控制、（10）通信接口、（11）網絡接口機器人控制系統的基本要素包括驅動裝置、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）驅動裝置作為驅動機器人的驅動力，常見的有液壓驅動、氣壓驅動、直流伺服電機驅動、交流伺服電機的驅動和步進電機驅動。由于直流伺服電機或交流伺服電機的流經電流較大，一般從數安培到幾十安培，機器人電機的驅動需要使用大功率的驅動電路，為了實現對電機運動特性的控制，機器人常采用脈沖寬度調制(PWM方式進行驅動。(2)傳動裝置傳動裝置是為了增加驅動轉矩、降低運動速度，機器人常用的傳動裝置在之前已經進行了詳細的討論。(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機器人常用的傳感器在之前已經進行詳細的討論。(

20、4)控制器的硬件機器人的控制器是以計算機為基礎的，機器人控制器的硬件系統采用的是二級結構，第一級為協調級，第二級為執行級.協調級實現對機器人各個關節的運動，實現機器人和外界環境的信息交換等功能，執行級實現機器人的各個關節的伺服控制，獲得機器人內部的運動狀態參數等功能，(5)控制系統的軟件機器人的控制系統軟件實現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)工業機器人控制的特點1)傳統的自動機械是以自身的動作為重點，而工業機器人的控制系統則更著重本體與操作對象的相互關系。2)工業機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。3)每個自由度一般包含一個伺服機構，多個獨立的

21、伺服系統必須有機地協調起來，組成一個多變量的控制系統。4)描述工業機器人狀態和運動的數學模型是一個非線性模型，隨著狀態的變化，其參數也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅是位置閉環是不夠的，還要利用速度、甚至加速度閉環。系統中還經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PID控制等。5)工業機器人還有一種特有的控制方式一一示教再現控制方式。5.2伺服控制系統又稱為隨動系統。伺伺服控制系統是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統,伺服系統使物體的位置、方位、狀服系統用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。態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。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），其結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。伺服系統最初用于國防軍工，如火炮的控制，船艦、飛機的自動駕駛，導彈發射等，后來逐漸推廣到國民經濟的許多部門，如自動機床、無線跟蹤控制等。在很多情況下，伺服控制系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械

23、位移（轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），伺服控制系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。早期的工業機器人都用液壓、氣壓方式來進行伺服驅動，隨著大功率交流伺服驅動技術的發展，目前大部分被電氣驅動方式所代替，只有在少數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動。電氣驅動無環境污染，響應快，精度高，成本低，控制方便。電氣驅動按照驅動執行元件的不同又分為步進電動機驅動、直流伺服電動機驅動和交流伺服電動機驅動三種不同形式；按照伺服控制方式分可分為開環、閉環和半閉環伺服控制系統。步進電動機驅動一般用在開環伺服系統中，這種系統沒有位置反饋裝置，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和半閉環伺服系統中，這類系統可以精確測量機器人關節和末端執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，所以這類系統具有很高的控制精度。由于伺服系統服務對象很多，如機器人臂部位置控制、手部末端軌跡控制、計算機光盤驅動控制、雷達跟蹤系統、迸給跟蹤系統等，因而對伺服系統的要求也有差別。工程上對伺服系統的技術要求很具體，可以歸納為以下幾個方面：對系統穩態性能的要求；對伺服系統動態性能的要求；對系統工作環境條件的要求：對系統制造威本、運行的經濟性、標準化程度、能源條件等方面的要求。雖然因服務對象的運動部件、檢測

25、部件以及機械結構等的不同而對伺服系統的要求存在差異，但所有伺服系統的共同點是帶動控制對象按照指定規律作機械運動。從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括調節環節、被控對象、執行環節、檢測環節、比較環節五部分。伺服系統組成原理框圖如圖6.3所示。輸入指令比較元件調節元件執行元件披控對象輸出量測量、反饋元件圖6.3伺服系統組成原理框圖(1)比較環節比較環節是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入偏差信號的環節，通常由專門的電路或計算機來實現。(2)調節環節調節環節即控制器，通常是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的差信號進行變換處理，以控制執行元件按要求

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

27、進電動機，通常以步進電動機作為執行元件的開環系統稱為步進式伺服系統。驅動電路的主要任務是將指令脈沖轉化為驅動執行元件所需的信號。開環伺服系統結構簡單，但精度不是很高，目前，大多數經濟型數控機床采用開環控制結構，近年來，老式機床在數控化改造時，工作臺的迸給系統廣泛采用開環控制，這種控制的結構簡圖如圖6.4所示，數控裝置發出脈沖指令，經過脈沖分配和功率放大后，驅動步進電動機和傳動件累積誤差。因此，開環伺服系統的精度低，一般可達到001m皿左右，且速度也有一定的限制。圖6.4開環伺服系統結構簡圖雖然開環控制在精度方面有不足，但其結構簡單、成本低、調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、辦公自動化設備中還是獲得了廣泛應用。(2)半閉環伺服系統通常把安裝在電動機軸端的檢測元件組成的伺服系統稱為半閉環伺服系統，由于電動機軸端和被控對象之間存在傳動誤差，半閉環伺服系統的精度要比閉環伺服系統的精度低一環伺服系統的區別在于其檢測元件位于系統傳動鏈的中間，故稱為半閉環伺服系統。顯然，由于有部分傳動鏈在系統閉環之外，故其定位精度比全閉環的稍差，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動部位進行角位移的測量和反饋，所以結構比較簡單,調整、維護也比較方便。由于將慣性質量很大的工作臺排除在閉環之外

29、，這種系統調試比較容易、穩定性好，具有較高的性價比，被廣泛應用于各種機電一體化設備。(3)全閉環伺服系統如圖6.6所示是一個全閉環伺服系統，安裝在工作臺上的位置檢測器可以是直線感應同步器或長光柵，它可將工作臺的直線位移轉換成電信號，并在比較環節與指令脈沖相比較，所得到的偏差值經過放大，控制伺服電動機驅動工作臺向偏差減小的方向移動。若數控裝置中的脈沖指令不斷地產生，工作臺就不斷隨之移動，直到偏差等于零為止。圖6.6全閉環系統結構簡圖全閉環伺服系統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系，實現高精度位置控制的一種理想的控制方案。但實現起來難度很大，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造成影響，