第六章机器人的控制.ppt

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1、第六章第六章 机器人的控制机器人的控制6.1什么是控制什么是控制简单地说，简单地说，控制控制控制控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。就是为了达到一定目的而实行的适当操作。步骤：步骤：（1）记住期望水位值；）记住期望水位值；（2）测量水池实际水位；（）测量水池实际水位；（3）计算期望水位与实际水位的误差；计算期望水位与实际水位的误差；（4）根据误差正确地调节进水）根据误差正确地调节进水阀门。阀门。优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。控控制制系系统统标标准准框框图图控制部分控制部分a.比例环节比例环节P弹簧的伸长弹簧的伸长y y

2、与力与力f f成比例，即成比例，即 y=k1f（k1=定值定值）像弹簧这样的环节称为像弹簧这样的环节称为比例环节比例环节。6.26.2PIDPID（proportionalproportional，integralintegral，derivativederivative）控制控制控制控制 设流入的流量为设流入的流量为x，活塞的移动距离活塞的移动距离为为y，S为活塞的截面为活塞的截面积，积，t为时间。为时间。如果如果x是变化的，即为是变化的，即为t的函数，则的函数，则也就是说，若以流入的流量也就是说，若以流入的流量x作为输入作为输入，以移动距离，以移动距离y作为输出作为输出，则油缸是个则油缸是

3、个积分环节积分环节。b.积分环节积分环节I当流入的流量为一定值当流入的流量为一定值x x0 0时，可以得出：时，可以得出：y=x0t/S对质量为对质量为M的物体施一水平力的物体施一水平力f，当力为定值当力为定值f0时，可以得出时间时，可以得出时间t后的速度后的速度v=f0t/M如果如果f是变化的，即为是变化的，即为t的函数，则的函数，则也就是说，若以外力也就是说，若以外力f作为输入作为输入，以速度，以速度v作为输出作为输出，则质量，则质量M的的物体也可以称之为物体也可以称之为积分环节积分环节。c.微分环节微分环节D求得活塞的移动距离求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力与作用于活塞的力f之间的关

4、系：之间的关系：式中式中为缓冲器的粘性摩擦系数。为缓冲器的粘性摩擦系数。也就是说，若以距离也就是说，若以距离y作为输入作为输入，以力，以力f作为输出作为输出，则缓冲器可以称，则缓冲器可以称为为微分环节微分环节。下面我们来说明一下在反馈控制中常用的下面我们来说明一下在反馈控制中常用的PID控制。在控制。在PID控制的名称中，控制的名称中，P指指proportional(比例），比例），I指指integral（积分），积分），D指指derivative（微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，偏差的微分值来控制。偏差的微分值来控制。机器人系统中更多的是高

5、度非线性及强耦合系统的控制问题。机器人系统中更多的是高度非线性及强耦合系统的控制问题。解决这些问题的新技术有：最优控制、解耦控制、自适应控制、解决这些问题的新技术有：最优控制、解耦控制、自适应控制、变结构滑模控制及神经元网络控制等。变结构滑模控制及神经元网络控制等。e.e.PIDPID控制控制控制控制 或或PID控制的基本形式可用下图表示。控制的基本形式可用下图表示。如果用如果用e=(r-y)表示偏差，则表示偏差，则PID控制变为：控制变为：式中，式中，式中，式中，k kP P称为比例增益；称为比例增益；称为比例增益；称为比例增益；k kI I称为积分增益；称为积分增益；称为积分增益；称为积分

6、增益；k kD D称为微分增益称为微分增益称为微分增益称为微分增益。它。它们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。而们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。而TI(=kP/kI)称为积分时间，称为积分时间，TD(=kD/kP)称为微分时间，分别具有时间量纲。称为微分时间，分别具有时间量纲。PID控制规律的传递函数可表示为控制规律的传递函数可表示为:PID控制规律的离散形式为控制规律的离散形式为:式中，式中，T为采样周期；为采样周期；e(n)为第为第n次采样的偏差值；次采样的偏差值；e(n-1)为第为第n-1次采样时的偏差值。次采样时的偏差值。PID控制器的三个参数有不同的控制作用。控制

7、器的三个参数有不同的控制作用。（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。入信号的噪声很敏感。（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；可加快响应速度，但过大容易出现振荡

8、；（2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；图中为同一对象在各图中为同一对象在各种不同的控制规律的作用种不同的控制规律的作用下的过渡过程曲线。下的过渡过程曲线。可以可以看出，在比例作用的基础看出，在比例作用的基础上，加入微分作用可以减上，加入微分作用可以减少过渡过程的最大偏差及少过渡过程的最大偏差及控制时间；加入积分作用控制时间；加入积分作用虽然能消除余差，但使过虽然能消除余差，但使过渡过程的最大偏差及控制渡过程的最大偏差及控制时间增大。时间增大。实际工

9、程中实际工程中PID控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观察实际性能来经验地确定。察实际性能来经验地确定。6.3位置位置、力及混合控制力及混合控制 位置控制位置控制位置控制位置控制惯惯性性矩矩变变化化引引起起的的驱驱动动力力变变化化物物体体重重时时手手臂臂的的姿姿势势不不同同时时有障碍物时有障碍物时路径（运动轨迹）控制路径（运动轨迹）控制力控制力控制机械手爪与外界接触有两种极端状态：机械手爪与外界接触有两种极端状态：a.手爪位置的手爪位置的PID控制控制一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控

10、制问题；另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置置/力的混合控制问题。力的混合控制问题。基于直角坐标的基于直角坐标的PID控制控制坐标转换坐标转换与与PIDPIDPIDc.顺应（柔顺）控制顺应（柔顺）控制顺应控制（柔顺控制）顺应控制（柔顺控制）本质上也是力与位置混合控制。分为本质上也是力与位置混合控制。分为两类：被动顺应控制和主动顺应控制。两类：被动顺应控制和主动顺应控制。被动柔顺控制被动柔顺控制手腕响应速手腕响应速度快，但它的设计针对性强，通用性不强。度快，但它的设计针对性强，通用性不强。主动顺应控制主动顺应控制使用灵使用灵活、通用性强，但对传感器的要求较高。活、通用性强，但对传感器的要求较高。近年来又出现了近年来又出现了主动和被动相结合主动和被动相结合的方法。的方法。附：附：数字控制系统（硬件）数字控制系统（硬件）Class is Class is over.over.Bye-bye!Bye-bye!