示教機械手伸縮臂計算機控制系統(tǒng)要點

1、7示教再現式機械手伸縮臂的計算機控制系統(tǒng)（本系統(tǒng)摘自熊世和編 機電系統(tǒng)計算機控制技術1993年）1 .示教 再現式機 械手伸 縮臂系統(tǒng)的工 作原理示教再現式機 械手伸 縮臂的基 本結構如圖1所示.其基本組成有 四部 分：1）閥控油缸.驅動源采用液壓，具有出力大，響應快等優(yōu)點，但系統(tǒng)復雜， 它是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構；2）示教再現操作器，是人機交道的接口； 3）計算機， 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。液壓動力源阿控油缸小教再現伺服閥佬位轉 正定反圖1示教再現式機械手伸縮臂系統(tǒng)原理圖示教時，系統(tǒng)中的硬件開關片K與刖合，并通知計算機，計算機將軟件開關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K的正轉、反轉，可使機械手停在所 需要的工作位置。這些數據存放于計算機寄存器中，但由于伺服放大器和電液伺服 閥存在著零漂，所以一旦某一點示教結束，搬動開關K至中間定位位置，系統(tǒng)轉入 閉環(huán)工作狀態(tài)，即投入定位程序.此時，采樣當前的位置值為y與前一個采樣值為R 進行比較，若誤差AnR-y,。；機械手動作（正轉或反轉），以消除位置誤差，一 直到4=0,機械手停止。其定位程序框圖如圖2所示。記錄：當示教的位置點需要保存下來，撥動開關K,產生記錄中斷。當定記業(yè)士定位清中斷I檔零洞中斷回 I慎紀地址上取位置K| M 存 AA |取當前位置r|4：'停

3、止反轉小IJlA執(zhí)行機構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|收當前域J|存差值生|反轉R能等控制記位過點數點數清零N徜中斷正將力停車30ms圖2示教機械手程序流圖位程序運行到“有否中斷”時，計算機就馬上轉到記錄程序工作，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,把第一個示教點的位置R存入k單元 保存，再取下一個存儲單元k+1,為存入下一個示教點作準備。此外還記錄存儲點 數n,當存入第一點時，n=1。隨后轉到定位程序，此時可進行第二個點的示教.若 第二點也要存入，再撥動記錄開關K5,第二個示教點R存入k+l單元，n=2,并把存 儲單元k+2

4、準備好.這樣不斷反復操作，可將所需要的示教點全部存入計算機的存 儲單元中去.記錄完畢后，機械手停留在最后一個示教點位置上，恢復到定位程序 運行.再現：將示教動作再現是通過執(zhí)行程序來完成的。當撥動執(zhí)行開關K,計算機得 到中斷信號，系統(tǒng)從定位程序轉到執(zhí)行程序.首先開中斷，然后從存儲器l中取出 第一個示教點R,并與機械手手臂當前位置y進行比較.若存在誤差AnR-y#。， 則將誤差4,送入數字 控制器Uz）進行數據處理，然后輸出色2。只要5和d不 同時為零，機械手手臂就一直運動.由于D(z)的設計是采用無波紋有限拍的數字控 制器，因而經過有限拍后能滿足 &和&同時為零，則機械手手臂停止

5、運動。此時 機械手手臂再現了第一個示教點的動作，其執(zhí)行程序框圖如圖 2所示。機械手手臂有定位點上的停留時間，是以 &的信號為準?？紤]到系統(tǒng)的精度，取|&設1時開 始計時，當規(guī)定停留的時間一到，計算機從k+l中取出第二個示教點，這樣依次類 推，直到最后一個示教點再現完畢；當最后一個示教點復現完畢，執(zhí)行程序點數到， 則又恢復k,再重新復現示教點，因此只要一執(zhí)行，機械手手臂就周而復始地不斷 工作。清零程序.有時需要更換記錄中的示教點，首先要將存儲器中的全部記錄點清 除.該任務是由清零程序完成。撥動清零點關K,計算機得到清零中斷信號，具運 行由定位程序轉到清零程序。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是否為零。若不為零，則存入零.然后再清除示教點的個 數n,恢復k值，為新的示教作準備。清零結束，計算機運行又回到定位程序，其請 零程序見圖2。返回程序：在機械手手臂運行過程中，如果需要它停下來，可以在任何時刻撥 動返回開關K2,則機械手手臂從撥動K,開始繼續(xù)完成余下來的示教點。當執(zhí)行完 最后一個示教點后，機械手就停止再現，此時計算機轉到定位程序運行，機械手就 停在最后一個示教點位置上。上面所介紹的示教再現機械手手臂伸縮系統(tǒng)的計算機程序僅僅是用于點到點的 控制，沒有涉及到運動軌跡的控制。2 .閉環(huán)手臂伸縮系統(tǒng)數字控制器D(z)的設計和實

7、現上面介紹了機械手手臂伸縮系統(tǒng)的工作原理，其中最核心的問題是控制器 D(z) 的設計，其次是計算機實現的控制算法.現在就這兩個問題進行討論.1)D(z)的設計將圖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)-數字控制器；TsG(s)=-零階輸出保持器；-閥控油虹的傳遞函數。G(s)=,2 一2、s(s 2 nS 二 0n)k，2圖3機械手手臂伸縮控制系統(tǒng)框圖為了進行離散系統(tǒng)的設計，則首先將連續(xù)部分的傳遞函敷轉化為z傳遞函數，采用零階保持器法，把連續(xù)部分的傳遞函敷轉化為z傳遞函數為G(z)=1211blzb2zzJ_21a0alza2z1 - z式中a = f(k,K,T,、) b

8、= f(k,ke,T, , n)其中ke根據所選要求的電磁閥確定。對象參數可以根據理論計算或試驗確定。這里 關鍵是采樣周期T如何確定。對于采樣周期T選擇的基本原則是：(1)根據對象的傳遞函數，對象傳遞函數為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間常數的慣性因子逼近.因此要采樣的函數是由指 數和正弦波構成。即在過渡過程中，必定有e- " sin n、1 一 2t其對應的振蕩周期為T _ 2 3.14 d -n L般可取采樣周期為11T =min(2 4-n,Td)(2)根據計算機計算速度和系統(tǒng)所要求的控制回

9、路敷，由于A/D和D/A轉換需要時間，而計算機執(zhí)行程序亦需要時間。因此可以確定采樣周期的下限為T _mN式中m- 一臺計算機的控制回路數；N- 一次采樣和信號處理時間。根據控制方案，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 K大到一定程度，就進入系統(tǒng)的某些元件的飽和區(qū)，這時系統(tǒng)就變成了非線性系統(tǒng)， 如再進行線性控制，系統(tǒng)就失控。2)最少拍數字控制器D(z)的設計機械手手臂伸縮系統(tǒng)的離散系統(tǒng)框圖如圖4所示。其閉環(huán)傳遞函數為H(z)=D(z)G(z)1 D(z)G(z)控制器傳遞函數為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)傳遞函數應為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間。又由于誤差傳遞函數He(z)=1-zJ.則得控制器的傳遞函數為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