示教機(jī)械手伸縮臂計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要點(diǎn)

1、7示教再現(xiàn)式機(jī)械手伸縮臂的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（本系統(tǒng)摘自熊世和編 機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1993年）1 .示教 再現(xiàn)式機(jī) 械手伸 縮臂系統(tǒng)的工 作原理示教再現(xiàn)式機(jī) 械手伸 縮臂的基 本結(jié)構(gòu)如圖1所示.其基本組成有 四部 分：1）閥控油缸.驅(qū)動(dòng)源采用液壓，具有出力大，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)復(fù)雜， 它是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；2）示教再現(xiàn)操作器，是人機(jī)交道的接口； 3）計(jì)算機(jī)， 它具有記憶、比較和控制功能等；4） A/討口D/A接口板，簡化為采樣器和保持器。液壓動(dòng)力源阿控油缸小教再現(xiàn)伺服閥佬位轉(zhuǎn) 正定反圖1示教再現(xiàn)式機(jī)械手伸縮臂系統(tǒng)原理圖示教時(shí)，系統(tǒng)中的硬件開關(guān)片K與刖合，并通知計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將軟件開關(guān)K

2、; 接到A,系統(tǒng)處于開環(huán)工作X犬態(tài).通過示教開關(guān)K的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，可使機(jī)械手停在所 需要的工作位置。這些數(shù)據(jù)存放于計(jì)算機(jī)寄存器中，但由于伺服放大器和電液伺服 閥存在著零漂，所以一旦某一點(diǎn)示教結(jié)束，搬動(dòng)開關(guān)K至中間定位位置，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入 閉環(huán)工作狀態(tài)，即投入定位程序.此時(shí)，采樣當(dāng)前的位置值為y與前一個(gè)采樣值為R 進(jìn)行比較，若誤差A(yù)nR-y,。；機(jī)械手動(dòng)作（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)），以消除位置誤差，一 直到4=0,機(jī)械手停止。其定位程序框圖如圖2所示。記錄：當(dāng)示教的位置點(diǎn)需要保存下來，撥動(dòng)開關(guān)K,產(chǎn)生記錄中斷。當(dāng)定記業(yè)士定位清中斷I檔零洞中斷回 I慎紀(jì)地址上取位置K| M 存 AA |取當(dāng)前位置r|4：'停

3、止反轉(zhuǎn)小IJlA執(zhí)行機(jī)構(gòu)一存寄存盤開美屆輸出彳r有一中斷否？執(zhí)行|清中斷|收中斷熱|從上中取止值|收當(dāng)前域J|存差值生|反轉(zhuǎn)R能等控制記位過點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù)清零N徜中斷正將力停車30ms圖2示教機(jī)械手程序流圖位程序運(yùn)行到“有否中斷”時(shí)，計(jì)算機(jī)就馬上轉(zhuǎn)到記錄程序工作，如圖 2所示。記 錄程序首先消除記錄中斷，然后取存儲單元k,把第一個(gè)示教點(diǎn)的位置R存入k單元 保存，再取下一個(gè)存儲單元k+1,為存入下一個(gè)示教點(diǎn)作準(zhǔn)備。此外還記錄存儲點(diǎn) 數(shù)n,當(dāng)存入第一點(diǎn)時(shí)，n=1。隨后轉(zhuǎn)到定位程序，此時(shí)可進(jìn)行第二個(gè)點(diǎn)的示教.若 第二點(diǎn)也要存入，再撥動(dòng)記錄開關(guān)K5,第二個(gè)示教點(diǎn)R存入k+l單元，n=2,并把存 儲單元k+2

4、準(zhǔn)備好.這樣不斷反復(fù)操作，可將所需要的示教點(diǎn)全部存入計(jì)算機(jī)的存 儲單元中去.記錄完畢后，機(jī)械手停留在最后一個(gè)示教點(diǎn)位置上，恢復(fù)到定位程序 運(yùn)行.再現(xiàn)：將示教動(dòng)作再現(xiàn)是通過執(zhí)行程序來完成的。當(dāng)撥動(dòng)執(zhí)行開關(guān)K,計(jì)算機(jī)得 到中斷信號，系統(tǒng)從定位程序轉(zhuǎn)到執(zhí)行程序.首先開中斷，然后從存儲器l中取出 第一個(gè)示教點(diǎn)R,并與機(jī)械手手臂當(dāng)前位置y進(jìn)行比較.若存在誤差A(yù)nR-y#。， 則將誤差4,送入數(shù)字 控制器Uz）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后輸出色2。只要5和d不 同時(shí)為零，機(jī)械手手臂就一直運(yùn)動(dòng).由于D(z)的設(shè)計(jì)是采用無波紋有限拍的數(shù)字控 制器，因而經(jīng)過有限拍后能滿足 &和&同時(shí)為零，則機(jī)械手手臂停止

5、運(yùn)動(dòng)。此時(shí) 機(jī)械手手臂再現(xiàn)了第一個(gè)示教點(diǎn)的動(dòng)作，其執(zhí)行程序框圖如圖 2所示。機(jī)械手手臂有定位點(diǎn)上的停留時(shí)間，是以 &的信號為準(zhǔn)?？紤]到系統(tǒng)的精度，取|&設(shè)1時(shí)開 始計(jì)時(shí)，當(dāng)規(guī)定停留的時(shí)間一到，計(jì)算機(jī)從k+l中取出第二個(gè)示教點(diǎn)，這樣依次類 推，直到最后一個(gè)示教點(diǎn)再現(xiàn)完畢；當(dāng)最后一個(gè)示教點(diǎn)復(fù)現(xiàn)完畢，執(zhí)行程序點(diǎn)數(shù)到， 則又恢復(fù)k,再重新復(fù)現(xiàn)示教點(diǎn)，因此只要一執(zhí)行，機(jī)械手手臂就周而復(fù)始地不斷 工作。清零程序.有時(shí)需要更換記錄中的示教點(diǎn)，首先要將存儲器中的全部記錄點(diǎn)清 除.該任務(wù)是由清零程序完成。撥動(dòng)清零點(diǎn)關(guān)K,計(jì)算機(jī)得到清零中斷信號，具運(yùn) 行由定位程序轉(zhuǎn)到清零程序。首先清除清零中斷，取

6、存儲單元 k, k+l , k+2, 判別這些存儲單元的存數(shù)是否為零。若不為零，則存入零.然后再清除示教點(diǎn)的個(gè) 數(shù)n,恢復(fù)k值，為新的示教作準(zhǔn)備。清零結(jié)束，計(jì)算機(jī)運(yùn)行又回到定位程序，其請 零程序見圖2。返回程序：在機(jī)械手手臂運(yùn)行過程中，如果需要它停下來，可以在任何時(shí)刻撥 動(dòng)返回開關(guān)K2,則機(jī)械手手臂從撥動(dòng)K,開始繼續(xù)完成余下來的示教點(diǎn)。當(dāng)執(zhí)行完 最后一個(gè)示教點(diǎn)后，機(jī)械手就停止再現(xiàn)，此時(shí)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)到定位程序運(yùn)行，機(jī)械手就 停在最后一個(gè)示教點(diǎn)位置上。上面所介紹的示教再現(xiàn)機(jī)械手手臂伸縮系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序僅僅是用于點(diǎn)到點(diǎn)的 控制，沒有涉及到運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。2 .閉環(huán)手臂伸縮系統(tǒng)數(shù)字控制器D(z)的設(shè)計(jì)和實(shí)

7、現(xiàn)上面介紹了機(jī)械手手臂伸縮系統(tǒng)的工作原理，其中最核心的問題是控制器 D(z) 的設(shè)計(jì)，其次是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法.現(xiàn)在就這兩個(gè)問題進(jìn)行討論.1)D(z)的設(shè)計(jì)將圖1所示的控制系統(tǒng)簡化為如圖3所示的方框圖。圖中D( z)-數(shù)字控制器；TsG(s)=-零階輸出保持器；-閥控油虹的傳遞函數(shù)。G(s)=,2 一2、s(s 2 nS 二 0n)k，2圖3機(jī)械手手臂伸縮控制系統(tǒng)框圖為了進(jìn)行離散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則首先將連續(xù)部分的傳遞函敷轉(zhuǎn)化為z傳遞函數(shù)，采用零階保持器法，把連續(xù)部分的傳遞函敷轉(zhuǎn)化為z傳遞函數(shù)為G(z)=1211blzb2zzJ_21a0alza2z1 - z式中a = f(k,K,T,、) b

8、= f(k,ke,T, , n)其中ke根據(jù)所選要求的電磁閥確定。對象參數(shù)可以根據(jù)理論計(jì)算或試驗(yàn)確定。這里 關(guān)鍵是采樣周期T如何確定。對于采樣周期T選擇的基本原則是：(1)根據(jù)對象的傳遞函數(shù)，對象傳遞函數(shù)為G(s) = 2kn2- =k n 2-s(s 2 nS -n) S(S n) n(1 - )式中的積分因子可以用大時(shí)間常數(shù)的慣性因子逼近.因此要采樣的函數(shù)是由指 數(shù)和正弦波構(gòu)成。即在過渡過程中，必定有e- " sin n、1 一 2t其對應(yīng)的振蕩周期為T _ 2 3.14 d -n L般可取采樣周期為11T =min(2 4-n,Td)(2)根據(jù)計(jì)算機(jī)計(jì)算速度和系統(tǒng)所要求的控制回

9、路敷，由于A/D和D/A轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，而計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序亦需要時(shí)間。因此可以確定采樣周期的下限為T _mN式中m- 一臺計(jì)算機(jī)的控制回路數(shù)；N- 一次采樣和信號處理時(shí)間。根據(jù)控制方案，如采用最少拍控制，采樣周期減小，則系統(tǒng)的總增益太曾大。當(dāng) K大到一定程度，就進(jìn)入系統(tǒng)的某些元件的飽和區(qū)，這時(shí)系統(tǒng)就變成了非線性系統(tǒng)， 如再進(jìn)行線性控制，系統(tǒng)就失控。2)最少拍數(shù)字控制器D(z)的設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂伸縮系統(tǒng)的離散系統(tǒng)框圖如圖4所示。其閉環(huán)傳遞函數(shù)為H(z)=D(z)G(z)1 D(z)G(z)控制器傳遞函數(shù)為D(z)1 H(z)G(z)1 -H(z)最少拍控制系統(tǒng)，對于單位階躍輸入，則其閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為H (z) = z 二=1zz=0為閉環(huán)特征方程的根，其在z平面單位圓的圓心上，因而不僅系統(tǒng)是穩(wěn)定的而 且具有極大的穩(wěn)定度和最短的過渡過程時(shí)間。又由于誤差傳遞函數(shù)He(z)=1-zJ.則得控制器的傳遞函數(shù)為D(z)E2(z)u(z) 1 H(z)Ei(z) 一 日化)一 G(z) He(z)/2a0aza?z1221 bzb?z圖4手臂伸縮