《机器人的控制》PPT课件.ppt

第六章 机器人的控制 6.1 什么是控制 简单地说，控制控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。 步骤：（1）记住期望水位值； （2）测量水池实际水位；（3） 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。 控 制 系 统 标 准 框 图 控制部分 a.比例环节P 弹簧的伸长y与力f成比例，即 y=k1f（k1=定值） 像弹簧这样的环节称为比例环节。 6.2 6.2 PIDPID（ proportionalproportional， integral integral ， derivative derivative ）控制控制 设流入的流量为 x，活塞的移动距离 为y，S为活塞的截面 积，t为时间。 如果x是变化的，即为t的函数，则 也就是说，若以流入的流量x作为输入，以移动距离y作为输出， 则油缸是个积分环节。 b.积分环节I 当流入的流量为一定值x0时，可以得出： y=x0t/S 对质量为M的物体施一水平力f，当力为定值f0时，可以得出时间t 后的速度v=f0t/M 如果f是变化的，即为t的函数，则 也就是说，若以外力f作为输入，以速度v作为输出，则质量M的 物体也可以称之为积分环节。 c.微分环节D 求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力f之间的关系： 式中 为缓冲器的粘性摩擦系数。 也就是说，若以距离y作为输入，以力f作为输出，则缓冲器可以称 为微分环节。 下面我们来说明一下在反馈控制中常用的PID控制。在PID 控制的名称中，P指proportional(比例），I指integral（积分）， D指derivative（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。 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 、变结构滑模控制及神经元网络控制等。 e. e. PID PID控制控制 或 PID控制的基本形式可用下图表示。 如果用e=(r-y)表示偏差，则PID控制变为： 式中，式中，k k P P 称为比例增益；称为比例增益；k k I I 称为积分增益；称为积分增益；k k D D 称为微分增益称为微分增益。它 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，TD(=kD/kP) 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: PID控制规律的离散形式为: 式中，T为采样周期；e(n)为第n次采样的偏差值；e(n-1)为第n-1 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。 （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 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 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 中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡； （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 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 种不同的控制规律的作用 下的过渡过程曲线。可以 看出，在比例作用的基础 上，加入微分作用可以减 少过渡过程的最大偏差及 控制时间；加入积分作用 虽然能消除余差，但使过 渡过程的最大偏差及控制 时间增大。 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 察实际性能来经验地确定。 6.3 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 惯 性 矩 变 化 引 起 的 驱 动 力 变 化 物 体 重 时 手 臂 的 姿 势 不 同 时 有障碍物时 路径（运动轨迹）控制 力控制 机械手爪与外界接触有两种极端状态： a. 手爪位置的PID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 ； 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/力的混合控制问题。 基于直角坐标的PID控制 坐标转换 与PID PID PID c.顺应（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 两类：被动顺应控制和主动顺应控制。 被动柔顺控制手腕响应速 度快，但它的设计