示教機(jī)械手伸縮臂計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1、 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）AD和D/A接口板，簡(jiǎn)化為采樣器和保持器。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(kāi)關(guān)片K1與A閉合，并通知計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將軟件開(kāi)關(guān)K1；接到A，系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)通過(guò)示教開(kāi)關(guān)K1的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，可使機(jī)械

2、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(kāi)關(guān)K1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；機(jī)械手動(dòng)作(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))，以消除位置誤差，一直到，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(lái)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)K5，產(chǎn)生記錄中斷。當(dāng)定 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(chǔ)單元k，把第一個(gè)示教點(diǎn)的位置R1存入k單元保存，再取下一個(gè)存儲(chǔ)單元k

3、+1，為存入下一個(gè)示教點(diǎn)作準(zhǔn)備。此外還記錄存儲(chǔ)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(kāi)關(guān)K5，第二個(gè)示教點(diǎn)R2存入k+l單元，n=2，并把存儲(chǔ)單元k+2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(chǔ)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(guò)執(zhí)行程序來(lái)完成的。當(dāng)撥動(dòng)執(zhí)行開(kāi)關(guān)K3，計(jì)算機(jī)得到中斷信號(hào)，系統(tǒng)從定位程序轉(zhuǎn)到執(zhí)行程序首先開(kāi)中斷，然后從存儲(chǔ)器l中取出第一個(gè)示教點(diǎn)R1，并與機(jī)械手手臂當(dāng)前位置y進(jìn)行比較若存在誤差，則將誤差，送入數(shù)字 控制器D(z)進(jìn)行數(shù)據(jù)處

4、理，然后輸出。只要和不同時(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(wú)波紋有限拍的數(shù)字控制器，因而經(jīng)過(guò)有限拍后能滿(mǎn)足和同時(shí)為零，則機(jī)械手手臂停止運(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(hào)為準(zhǔn)?？紤]到系統(tǒng)的精度，取時(shí)開(kāi)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(lèi)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(chǔ)器中的全部記錄點(diǎn)清除該任務(wù)是

5、由清零程序完成。撥動(dòng)清零點(diǎn)關(guān)K4，計(jì)算機(jī)得到清零中斷信號(hào)，其運(yùn)行由定位程序轉(zhuǎn)到清零程序。首先清除清零中斷，取存儲(chǔ)單元k，k+l，k+2，判別這些存儲(chǔ)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(qǐng)零程序見(jiàn)圖2。 返回程序：在機(jī)械手手臂運(yùn)行過(guò)程中，如果需要它停下來(lái)，可以在任何時(shí)刻撥動(dòng)返回開(kāi)關(guān)K2，則機(jī)械手手臂從撥動(dòng)K2，開(kāi)始繼續(xù)完成余下來(lái)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

6、點(diǎn)到點(diǎn)的控制，沒(méi)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)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(wèn)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(wèn)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(jiǎn)化為如圖3所示的方框圖。圖中 D(z)-數(shù)字控制器； -零階輸出保持器； -閥控油虹的傳遞函數(shù)。 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 式中 其中ke根據(jù)所選要求的電磁閥確定。對(duì)象參數(shù)可以根據(jù)理論計(jì)算或試驗(yàn)確定

7、。這里關(guān)鍵是采樣周期T如何確定。對(duì)于采樣周期T選擇的基本原則是： (1)根據(jù)對(duì)象的傳遞函數(shù)，對(duì)象傳遞函數(shù)為 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(guò)渡過(guò)程中，必定有 其對(duì)應(yīng)的振蕩周期為 一般可取采樣周期為 (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 式中m-一臺(tái)計(jì)算機(jī)的控制回路數(shù)； N-一次采樣和信號(hào)處理時(shí)間。 (3)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K增大。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(xiàn)性系統(tǒng)，如再進(jìn)行線(xiàn)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 控制器傳遞函數(shù)為 最少拍控制系統(tǒng)，對(duì)于單位階躍輸入，則其閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為 z=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(guò)渡過(guò)程時(shí)間。又由于誤差傳遞函數(shù)則得控制器的傳遞函數(shù)為圖4