示教机械手伸缩臂计算机控制系统.doc

1、1示 教 再 现 式 机 械 手 伸 缩 臂 的计 算 机 控 制 系 统（ 本 系 统 摘 自 熊 世 和 编 机 电 系 统 计 算 机 控 制 技 术 1993年 ）1 示 教 再 现 式 机 械 手 伸 缩 臂 系 统 的 工 作 原 理示 教 再 现 式 机 械 手 伸 缩 臂 的 基 本 结 构 如 图 1所 示 其 基 本 组 成 有四 部 分 ： 1)阀 控 油 缸 驱 动 源 采 用 液 压 ， 具 有 出 力 大 ， 响 应 快 等 优 点 ， 但系 统 复 杂 ， 它 是 控 制 系 统 的 执 行 机 构 ； 2)示 教 再 现 操 作 器 ， 是 人 机 交 道 的

2、接口 ； 3） 计 算 机 ， 它 具 有 记 忆 、 比 较 和 控 制 功 能 等 ； 4） A D和 D/A接 口 板 ， 简化 为 采 样 器 和 保 持 器 。图 1 示 教 再 现 式 机 械 手 伸 缩 臂 系 统 原 理 图示 教 时 ， 系 统 中 的 硬 件 开 关 片 K1与 A闭 合 ， 并 通 知 计 算 机 ， 计 算 机 将 软 件开 关 K1 ； 接 到 A， 系 统 处 于 开 环 工 作 状 态 通 过 示 教 开 关 K1的 正 转 、 反 转 ，可 使 机 械 手 停 在 所 需 要 的 工 作 位 置 。 这 些 数 据 存 放 于 计 算 机 寄 存

3、 器 中 ， 但 由于 伺 服 放 大 器 和 电 液 伺 服 阀 存 在 着 零 漂 ， 所 以 一 旦 某 一 点 示 教 结 束 ， 搬 动 开关 K1至 中 间 定 位 位 置 ， 系 统 转 入 闭 环 工 作 状 态 ， 即 投 入 定 位 程 序 此 时 ， 采 样当 前 的 位 置 值 为 y与 前 一 个 采 样 值 为 R进 行 比 较 ， 若 误 差 ； 机 械10Ry手 动 作 (正 转 或 反 转 )， 以 消 除 位 置 误 差 ， 一 直 到 ， 机 械 手 停 止 。 其 定10位 程 序 框 图 如 图 2所 示 。2记 录 ： 当 示 教 的 位 置 点 需

4、 要 保 存 下 来 ， 拨 动 开 关 K5， 产 生 记 录 中 断 。 当 定图 2 示 教 机 械 手 程 序 流 图位 程 序 运 行 到 “有 否 中 断 ”时 ， 计 算 机 就 马 上 转 到 记 录 程 序 工 作 ， 如 图 2所 示 。记 录 程 序 首 先 消 除 记 录 中 断 ， 然 后 取 存 储 单 元 k， 把 第 一 个 示 教 点 的 位 置 R1存入 k单 元 保 存 ， 再 取 下 一 个 存 储 单 元 k+1， 为 存 入 下 一 个 示 教 点 作 准 备 。 此 外还 记 录 存 储 点 数 n,当 存 入 第 一 点 时 ， n=1。 随 后

5、 转 到 定 位 程 序 ， 此 时 可 进 行 第二 个 点 的 示 教 若 第 二 点 也 要 存 入 ， 再 拨 动 记 录 开 关 K5， 第 二 个 示 教 点 R2存入 k+l单 元 ， n=2， 并 把 存 储 单 元 k+2准 备 好 这 样 不 断 反 复 操 作 ， 可 将 所 需 要的 示 教 点 全 部 存 入 计 算 机 的 存 储 单 元 中 去 记 录 完 毕 后 ， 机 械 手 停 留 在 最 后 一个 示 教 点 位 置 上 ， 恢 复 到 定 位 程 序 运 行 再 现 ： 将 示 教 动 作 再 现 是 通 过 执 行 程 序 来 完 成 的 。 当 拨

6、动 执 行 开 关 K3， 计算 机 得 到 中 断 信 号 ， 系 统 从 定 位 程 序 转 到 执 行 程 序 首 先 开 中 断 ， 然 后 从 存 储3器 l中 取 出 第 一 个 示 教 点 R1， 并 与 机 械 手 手 臂 当 前 位 置 y进 行 比 较 若 存 在 误差 ， 则 将 误 差 ， 送 入 数 字 控 制 器 D(z)进 行 数 据 处 理 ， 然 后 输0yR出 。 只 要 和 不 同 时 为 零 ， 机 械 手 手 臂 就 一 直 运 动 由 于 D(z)的 设 计221是 采 用 无 波 纹 有 限 拍 的 数 字 控 制 器 ， 因 而 经 过 有 限

7、拍 后 能 满 足 和 同 时 为21零 ， 则 机 械 手 手 臂 停 止 运 动 。 此 时 机 械 手 手 臂 再 现 了 第 一 个 示 教 点 的 动 作 ，其 执 行 程 序 框 图 如 图 2所 示 。 机 械 手 手 臂 有 定 位 点 上 的 停 留 时 间 ， 是 以 的2信 号 为 准 。 考 虑 到 系 统 的 精 度 ， 取 时 开 始 计 时 ， 当 规 定 停 留 的 时 间 一12到 ， 计 算 机 从 k+l中 取 出 第 二 个 示 教 点 ， 这 样 依 次 类 推 ， 直 到 最 后 一 个 示 教 点再 现 完 毕 ； 当 最 后 一 个 示 教 点

8、复 现 完 毕 ， 执 行 程 序 点 数 到 ， 则 又 恢 复 k， 再 重新 复 现 示 教 点 ， 因 此 只 要 一 执 行 ， 机 械 手 手 臂 就 周 而 复 始 地 不 断 工 作 。清 零 程 序 有 时 需 要 更 换 记 录 中 的 示 教 点 ， 首 先 要 将 存 储 器 中 的 全 部 记 录点 清 除 该 任 务 是 由 清 零 程 序 完 成 。 拨 动 清 零 点 关 K4， 计 算 机 得 到 清 零 中 断信 号 ， 其 运 行 由 定 位 程 序 转 到 清 零 程 序 。 首 先 清 除 清 零 中 断 ， 取 存 储 单 元k， k+l， k+2，

9、 ， 判 别 这 些 存 储 单 元 的 存 数 是 否 为 零 。 若 不 为 零 ， 则 存 入零 然 后 再 清 除 示 教 点 的 个 数 n， 恢 复 k值 ， 为 新 的 示 教 作 准 备 。 清 零 结 束 ，计 算 机 运 行 又 回 到 定 位 程 序 ， 其 请 零 程 序 见 图 2。返 回 程 序 ： 在 机 械 手 手 臂 运 行 过 程 中 ， 如 果 需 要 它 停 下 来 ， 可 以 在 任 何 时刻 拨 动 返 回 开 关 K2， 则 机 械 手 手 臂 从 拨 动 K2， 开 始 继 续 完 成 余 下 来 的 示 教 点 。当 执 行 完 最 后 一 个

10、 示 教 点 后 ， 机 械 手 就 停 止 再 现 ， 此 时 计 算 机 转 到 定 位 程 序 运行 ， 机 械 手 就 停 在 最 后 一 个 示 教 点 位 置 上 。上 面 所 介 绍 的 示 教 再 现 机 械 手 手 臂 伸 缩 系 统 的 计 算 机 程 序 仅 仅 是 用 于 点 到点 的 控 制 ， 没 有 涉 及 到 运 动 轨 迹 的 控 制 。2 闭 环 手 臂 伸 缩 系 统 数 字 控 制 器 D(z)的 设 计 和 实 现上 面 介 绍 了 机 械 手 手 臂 伸 缩 系 统 的 工 作 原 理 ， 其 中 最 核 心 的 问 题 是 控 制 器D(z)的 设

11、 计 ， 其 次 是 计 算 机 实 现 的 控 制 算 法 现 在 就 这 两 个 问 题 进 行 讨 论 1)D(z)的 设 计 将 图 1所 示 的 控 制 系 统 简 化 为 如 图 3所 示 的 方 框 图 。 图 中4D(z)-数 字 控 制 器 ；-零 阶 输 出 保 持 器 ；1eTsG-阀 控 油 虹 的 传 递 函 数 。2n()kss图 3 机 械 手 手 臂 伸 缩 控 制 系 统 框 图 为 了 进 行 离 散 系 统 的 设 计 ， 则 首 先 将 连 续 部 分 的 传 递 函 敷 转 化 为 z传 递 函数 ， 采 用 零 阶 保 持 器 法 ， 把 连 续 部

12、 分 的 传 递 函 敷 转 化 为 z传 递 函 数 为1210)( zazbzG式 中 en,)(iafkTb其 中 ke根 据 所 选 要 求 的 电 磁 阀 确 定 。 对 象 参 数 可 以 根 据 理 论 计 算 或 试 验 确 定 。这 里 关 键 是 采 样 周 期 T如 何 确 定 。 对 于 采 样 周 期 T选 择 的 基 本 原 则 是 ：(1)根 据 对 象 的 传 递 函 数 ， 对 象 传 递 函 数 为2 2n n2()()(1)kkGsss式 中 的 积 分 因 子 可 以 用 大 时 间 常 数 的 惯 性 因 子 逼 近 因 此 要 采 样 的 函 数 是

13、 由指 数 和 正 弦 波 构 成 。 即 在 过 渡 过 程 中 ， 必 定 有n2si1et其对应的振荡周期为 d2n3.41T一般可取采样周期为dnmi(,)24TT5(2)根 据 计 算 机 计 算 速 度 和 系 统 所 要 求 的 控 制 回 路 敷 ， 由 于 A/D和 D/A转换 需 要 时 间 ， 而 计 算 机 执 行 程 序 亦 需 要 时 间 。 因 此 可 以 确 定 采 样 周 期 的 下 限为mNT式 中 m-一 台 计 算 机 的 控 制 回 路 数 ；N-一 次 采 样 和 信 号 处 理 时 间 。(3)根 据 控 制 方 案 ， 如 采 用 最 少 拍 控

14、 制 ， 采 样 周 期 减 小 ， 则 系 统 的 总 增 益 K增大 。 当 K大 到 一 定 程 度 ， 就 进 入 系 统 的 某 些 元 件 的 饱 和 区 ， 这 时 系 统 就 变 成 了非 线 性 系 统 ， 如 再 进 行 线 性 控 制 ， 系 统 就 失 控 。2） 最 少 拍 数 字 控 制 器 D(z)的 设 计机 械 手 手 臂 伸 缩 系 统 的 离 散 系 统 框 图 如 图 4所 示 。 其 闭 环 传 递 函 数 为)(1)(zGzH控制器传 递 函 数 为)(1)(zzD最 少 拍 控 制 系 统 ， 对 于 单 位 阶 跃 输 入 ， 则 其 闭 环 传

15、 递 函 数 应 为zH)(1z=0为 闭 环 特 征 方 程 的 根 ， 其 在 z平 面 单 位 圆 的 圆 心 上 ， 因 而 不 仅 系 统 是 稳定 的 而 且 具 有 极 大 的 稳 定 度 和 最 短 的 过 渡 过 程 时 间 。 又 由 于 误 差 传 递 函 数 则 得 控 制 器 的 传 递 函 数 为1e()z 210112 )()()( zbazHGzEuDe图 4 手 臂 伸 缩 离 散 系 统 框 图经 过 z反 变 换 得 到 计 算 机 输 出 的 时 域 差 分 方 程 为6)2()1()2()1()()(10 kbukeakeaku于 是 得 出 计 算 机 解 D(z)的 框 图 如 图 5所 示 。本 系 统 还 采 用 有 限 拍 无 纹 波 数 字 控 制 器 设 计 方 法 进 行 设 计 。 对 此 本 文 没 有 进行 摘 录 ， 有 兴 趣 读 者 可 查 阅 原 文 。图 5 有 纹 波 数 字 控 制 器 解 算 框 图