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1、5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统5.2.1 5.2.1 控制器及控制算法控制器及控制算法5.2.2 5.2.2 执行装置执行装置5.2.35.2.3机器人编程机器人编程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。5.2.1 5.2.1 控制器及控制算法控制器及控制算法优点
2、：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。 PIDPID（ 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
3、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
4、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
5、），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：解决这些问题的新技术有：最优控制、解耦控制、自适应控制、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变结构滑模控制及神经元网络控制等。等。d.PIDd.PID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，
6、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，
7、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，规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度加快系统的跟踪速度，但对输，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
8、质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系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，统中，增大增大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；（2）积分控制器能）积分控制器能消除或减弱稳态偏差消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；限制系统的快速性；位置、力及混合控制位置、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
9、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
10、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）随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展，随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展
11、，专用运动控制芯专用运动控制芯片和运动控制卡片和运动控制卡越来越多地作为机器人的运动控制器。这两种越来越多地作为机器人的运动控制器。这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，都以形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，都以通用通用PCPC机机为平台为平台，借助，借助PCPC机的强大功能来实现机器人的运动控制。机的强大功能来实现机器人的运动控制。基于计算机基于计算机( (微处理器微处理器) )和芯片的运动控制器：和芯片的运动控制器： LM628LM628专专用用运运动动控控制制芯芯片片实实际际上上是是一一个个具具有有专专门门用用途途的的单单片片机机，用用来来控控制制以以增增量量式式编编码
12、码器器为为位位置置反反馈馈元元件件的的各各种种直直流流或或无无刷刷直直流流电电动动机机伺伺服服系系统统或或其其他他伺伺服服系系统统，具具有有很很强强的的实实时时运运算算能能力力。该该芯芯片片具具有有丰丰富富的的指指令令集集，可可以以通通过过上上级级计计算算机机编编程程控控制制。只只要用一片要用一片LM628LM628和其他一些功能器件就可构成一个伺服系统。和其他一些功能器件就可构成一个伺服系统。通过主机和LM628及一些其他器件组成的最小系统如图 1 1LM628LM628的特点的特点(1) 32(1) 32位的位置、速度、加速度寄存器。位的位置、速度、加速度寄存器。(2) 16(2) 16位
13、可编程数字位可编程数字PIDPID滤波器。滤波器。(3) (3) 可编程微分采样间隔。可编程微分采样间隔。(4) 8(4) 8位或位或1212位位D/AD/A转换器输出数据。转换器输出数据。(5) (5) 内部内部梯形速度图梯形速度图发生器。发生器。(6) (6) 速度、目标位置和滤波器参数在运动过程中可以改变。速度、目标位置和滤波器参数在运动过程中可以改变。(7) (7) 可选择位置或速度控制方式。可选择位置或速度控制方式。(8) (8) 实时可编程的主计算机中断。实时可编程的主计算机中断。(9) (9) 有与增量式编码器的接口。有与增量式编码器的接口。LM628LM628的主要功能的主要功
14、能(1) (1) 接受主机发送来的运动控制指令，并把运动控制器当前的接受主机发送来的运动控制指令，并把运动控制器当前的状态及数据送给主机。状态及数据送给主机。(2) (2) 作为速度曲线发生器，执行速度梯形图的计算和数字滤波，作为速度曲线发生器，执行速度梯形图的计算和数字滤波，产生速度曲线。不论位置控制还是速度控制都需要有速度曲产生速度曲线。不论位置控制还是速度控制都需要有速度曲线发生器产生梯形速度分布图。线发生器产生梯形速度分布图。(3) (3) 利用增量式编码器进行实际位置的反馈。利用增量式编码器进行实际位置的反馈。(4) (4) 在运行中计算实际位置和理论位置在运行中计算实际位置和理论位
15、置( (由速度发生器产生的由速度发生器产生的位置位置) )的差值，并把该差值经的差值，并把该差值经PIDPID数字滤波器处理后输出，经数字滤波器处理后输出，经外接外接D/AD/A转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。基于基于PC(PC(总线总线) )技术的运动控制技术的运动控制( (卡卡) )器器 GM-400GM-400四轴运动控制器四轴运动控制器 GM-400GM-400四轴运动控制器提供的主要功能四轴运动控制器提供的主要功能(1) (1) 提供提供4 4路模拟电压路模拟电压(10(10 V)V)控制信号。控制信号。(2) (2) 提供提供4
16、4路路PWMPWM控制信号控制信号( (适用于有适用于有PWMPWM控制信号接口的伺服电动机控制信号接口的伺服电动机驱动器驱动器) )。(3) (3) 提供提供4 4路增量式光电编码器反馈信号接口。路增量式光电编码器反馈信号接口。(4) (4) 增量式编码盘计数频率可达增量式编码盘计数频率可达1 1 MHzMHz。(5) (5) 四轴位置、速度、加速度控制。四轴位置、速度、加速度控制。(6) (6) 可编程数字可编程数字PI+VffPI+Vff滤波。滤波。(7) (7) 可编程数字可编程数字PIDPID滤波。滤波。(8) (8) 单轴最小伺服采样周期为单轴最小伺服采样周期为100100 msms。(9) 32(9) 32位长度的位置寄存器。位长度的位置寄存器。(10) (10) 硬件检测硬件检测INDEXINDEX信号。信号。(11) (11) 硬件检测硬件检测HOMEHOME信号。信号。(12)(12)可编程可编程S S曲线、梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮式控制方式。曲线、梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮式控制方式。(13) (13) 点到点位置控制。点到点位置控制。运动控制器工作原理GM
