教案-工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)01

1、第六章機(jī)器人控制系統(tǒng)6.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)概述6.2伺服控制系統(tǒng)本【內(nèi)容提要】本課主要學(xué)習(xí)自動控制系統(tǒng)的發(fā)展和分類，最簡單的控制系統(tǒng)的概念和組成，自動化技術(shù)的四個基本環(huán)節(jié)，機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點，伺服控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、動態(tài)參數(shù)等內(nèi)容。知識要點：?自動控制理論發(fā)展的四個階段和分類?最簡單的控制系統(tǒng)的組成?自動化技術(shù)包括四個基本環(huán)節(jié)?機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點、控制方式、基本要素?伺服控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、動態(tài)參數(shù)重點：?掌握簡單控制系統(tǒng)?機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點、控制方式、基本要素難點：?伺服控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、動態(tài)參數(shù)關(guān)鍵字:機(jī)器人控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、動態(tài)參數(shù)事【本課內(nèi)容】6.1 機(jī)器人的控制系

2、統(tǒng)概述機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要對機(jī)器人工作過程中的動作順序、應(yīng)到達(dá)的位置及姿態(tài)、路徑軌跡及規(guī)劃、動作時間間隔以及末端執(zhí)行器施加在被作用物上的力和轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行控制。目前廣泛便用的工業(yè)機(jī)器人中，控制機(jī)多為微型計算機(jī)外部有控制柜封裝。如瑞典ABB公司的IRB系列機(jī)器人、德國庫卡公司的KB系列機(jī)器人、日本安川公司的MOTOMAN器人、日本發(fā)那科公司的Mate系列機(jī)器人等.這類機(jī)器人一般采用示教一再現(xiàn)的工作方式，機(jī)器人的作業(yè)路徑、運動參數(shù)由操作者手把手示教或通過程序設(shè)定，機(jī)器人重復(fù)再現(xiàn)示教的內(nèi)容；機(jī)器人配有簡單的內(nèi)部傳感器，用來感知運行速度、位置和姿態(tài)等，還可以配各簡易的視覺、力傳感器感知外部環(huán)境。近年來，智

3、能機(jī)器人的研究如火如荼。這類機(jī)器人的控制機(jī)多為計算機(jī)，處理的信息量大，控制算法復(fù)雜.同時配備了多種內(nèi)部、外部傳感器，不但能感知內(nèi)部關(guān)節(jié)運行速度及力的大小，還能對外部的環(huán)境信息進(jìn)行感知、反饋和處理。機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。機(jī)器人控制系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)：集中控制、主從控制和分布式控制。6.1.1 自動控制系統(tǒng)機(jī)器人控制立足于控制理論，是自動控制理論的發(fā)展新方向。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的、

4、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從1868年麥克斯韋（馬克斯威爾，J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段?？刂普撌顷P(guān)于怎樣把機(jī)械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并且具有特定性能的系統(tǒng)的科學(xué)。這門新科學(xué)的一個非常突出的特點就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，可是，在其他各門自然科學(xué)中，這些因素是十分重要的。控制論所討論的主要問題是一個系統(tǒng)的各個不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個系統(tǒng)

5、的總體運動狀態(tài)。中國早在1986年批準(zhǔn)863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個主題。一個最簡單的控制系統(tǒng)應(yīng)包括的檢測、控制和執(zhí)行三個部分，它們與工作對象一起構(gòu)成一個完整的自動化系統(tǒng)一一反饋控制系統(tǒng)。反饋控制的原理是，首先檢測出實際輸出，并與期望輸出相比較，然后進(jìn)行誤差補(bǔ)償，計算出控制量，并用執(zhí)行器來控制工作對象，使實際輸出向期望輸出逼近。目前大多使用微處理器或計算機(jī)構(gòu)成控制器、裝置、系統(tǒng)，來完成控制要求的計算、通訊與各種信息處理，并采用大量的傳感器獲取各種信息和執(zhí)行器完成各種復(fù)雜的操作。一個采用計算機(jī)控制的典型自動化系統(tǒng)，除了三個基本環(huán)節(jié)外，增加了模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)

6、換和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換，以便于微處理器實現(xiàn)控制計算。計算機(jī)控制系統(tǒng)是用工控機(jī)來實現(xiàn)工業(yè)過程自動控制的系統(tǒng)。DA執(zhí)行器fAD+變送器被控對象被控變量圖6.1計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.4所示。它雖然表示的僅僅是一個典型的負(fù)反饋閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)圖，但實際上它深刻地反映了自動化技術(shù)的許多知識之間的關(guān)系與聯(lián)系。大部分實際運行的自動化系統(tǒng)（包括大型復(fù)雜系統(tǒng)中的許多子系統(tǒng)）可歸納為這個典型結(jié)構(gòu)。這個負(fù)反饋閉環(huán)控制圖是自動化控制的本質(zhì)圖、核心圖。從信息與物質(zhì)、能量的角度去分析它，從數(shù)字量與模擬量的角度去觀察這個圖，從設(shè)備控制和非設(shè)備控制的角度去理解這個圖，可以發(fā)現(xiàn)幾乎所有的與

7、自動化技術(shù)有關(guān)的控制方面的知識都能從圖1.4所示的典型負(fù)反饋閉環(huán)控制中反映出來，換句話說，完成一個基本系統(tǒng)的反饋控制需要到幾乎全部自動化知識領(lǐng)域中的知識。因此，將負(fù)反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖中的每一部分作為自動化技術(shù)中的一個知識領(lǐng)域十分合適，圖6.2給出了這種對應(yīng)關(guān)系。、控制器（智能自動化技術(shù)包括四個基本環(huán)節(jié)：被控對象、變送器（傳感與檢測技術(shù)）控制技術(shù)）、執(zhí)行器（執(zhí)行與驅(qū)動技術(shù)），其他輔助儀表根據(jù)需要選擇。k擾變退器傳感與檢雙技術(shù)工金-IXJ執(zhí)行黑凹*執(zhí)濘與蜘技術(shù)被控對美圖6.2自動化技術(shù)知識體系控制器：模擬控制器（調(diào)節(jié)器）、數(shù)字控制器（調(diào)節(jié)器）；PLC（可編程邏輯控制器）、DCS（集散控制系統(tǒng)）、現(xiàn)

8、場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等。執(zhí)行器：1、閥門：調(diào)節(jié)閥、電磁閥、氣動蝶閥等；2、泵：開關(guān)泵、變頻泵等；電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)、伺服電動機(jī)等；4、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)等變送器：（溫度壓力、液位、流量）變送器、液位開關(guān)、料位開關(guān)、接近開關(guān)（通常輸出（ON/OFFB號）、成分分析儀（通常輸出：4-20mA、1-5V等標(biāo)準(zhǔn)信號）、其他各種傳感檢測裝置。另外，輔助儀表合理選用實施系統(tǒng)的完善，中間還有涉及信號和能量的轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)過程自動化的核心是自動調(diào)節(jié)裝置。工業(yè)生產(chǎn)過程控制的任務(wù)是根據(jù)不同的生產(chǎn)過程和特點，采用自動化工具即過程控制儀表及裝置，結(jié)合控制理論設(shè)計控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化。6.1.2 自動控制系統(tǒng)的分類由于劃分

9、過程控制類別的方式不同，有各種不同的名稱。1 .按被控變量分類，有速度控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。2 .按控制器的控制算法來分，有比例（P）控制系統(tǒng)、比例積分（PI）控制系統(tǒng)、比例積分微分（PID）控制系統(tǒng)及位式控制系統(tǒng)等。3 .按控制系統(tǒng)的模式來分，有比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)及自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。4 .按控制器信號來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)。5 .按是否采用計算機(jī)來分有常規(guī)的儀表控制系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。6 .按控制系統(tǒng)所完成的功能來分，有串級控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。7 .按控制系統(tǒng)組成回路的情況來分，有單

10、回路控制系統(tǒng)與多回路控制系統(tǒng)、或開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)等。以上是人們視具體情況所采用的不同的分類，并沒有什么嚴(yán)格的規(guī)定。而作為過程控制而言，主要是分析反饋控制的特性，這就和設(shè)定值有密切關(guān)系，因此按設(shè)定值來分類則更有意義。以上這些分類只反映了不同控制系統(tǒng)某一方面的特點，人們視具體情況可以采用不同的分類方法，其中并無原則的規(guī)定。研究反饋控制系統(tǒng)的特性，按設(shè)定值的形式不同，可將自動控制系統(tǒng)分為以下三類。1,定值控制系統(tǒng)將系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值保持某一定值(或在某一很小范圍內(nèi)不變)的控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。在定值控制系統(tǒng)中，設(shè)定值固定不變，引起系統(tǒng)變化的只是擾動信號。這種控制系統(tǒng)是應(yīng)用最多的一種。

11、2,隨動控制系統(tǒng)對于有的生產(chǎn)過程，其被控變量是變化的，即控制系統(tǒng)的設(shè)定值不是定值，而是無規(guī)律變化的，自動控制的目的是要使被控變量相當(dāng)準(zhǔn)確而及時地跟隨設(shè)定值的變化。例如，加熱爐的燃料與空氣的混合比控制，燃料量是按工藝過程的需要而設(shè)定的，這個設(shè)定值又隨生產(chǎn)流程的要求而自動或手動改變，也就是說，燃料量在變化，控制系統(tǒng)就要使空氣量跟隨燃料量的變化，自動按預(yù)先規(guī)定的比例而相應(yīng)地增減空氣量，以保證燃料合理而經(jīng)濟(jì)地燃燒，這就是隨動控制系統(tǒng)。自動平衡記錄儀的平衡機(jī)構(gòu)就是跟隨被測信號的變化自動達(dá)到平衡位置，是一種典型的隨動控制系統(tǒng)。8 .程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值是按預(yù)定的時間程序變化的。控制的目

12、的是使被控變量按規(guī)定的程序自動變化。如工業(yè)熱處理爐等周期作業(yè)的加熱設(shè)備，一般都有升溫、保溫和降溫等按時間變化的規(guī)律，設(shè)定值按此程序進(jìn)行控制，以達(dá)到控制的目的。自動控制系統(tǒng)涉及工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，不同的工藝過程控制有不同的要求。但總的歸納起來有三個方面的要求：安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。6.1,3機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方式1機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點機(jī)器人控制系統(tǒng)和一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點。(1)與機(jī)構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)的控制系統(tǒng)機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)，機(jī)器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要，選擇不同的參考坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。經(jīng)

13、常要求解運動學(xué)正問題和逆問題，除此之外還要考慮慣性力、外力(包括重力)及哥氏力、向心力的影響。(2)多變量控制系統(tǒng)一個機(jī)器人至少有3-5個自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個、甚至幾十個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機(jī)構(gòu)，他們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)，(3)計算機(jī)控制系統(tǒng)把多個獨立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來，使其按照人的意志行動，賦予機(jī)器人一定的“智能”，這個任務(wù)只能由計算機(jī)來完成。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)必須是一個計算機(jī)控制系統(tǒng)，同時，計算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。(4)耦合非線性控制系統(tǒng)描述機(jī)器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外界環(huán)境的變化，其參數(shù)也在變化

14、9;各變量之間還存在耦合，因此，僅僅利用位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度閉環(huán)甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、前饋人解耦或自適應(yīng)控制等方法。(5)尋優(yōu)控制系統(tǒng)機(jī)器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個“最優(yōu)”的問題。借助信息庫進(jìn)控制、較高級的機(jī)器人可以用人工智能的方法，用計算機(jī)建立起龐大的信息庫,決策、管理和操作。根據(jù)傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況，按照給定的指標(biāo)要求，自動她選擇最佳的控制規(guī)律?？偠灾瑱C(jī)器人控制系統(tǒng)是一個與運動學(xué)和動力學(xué)原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng).由于它的特殊性，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能照搬使用。到目前為止，機(jī)

15、器人控制理論還是不完整、不系統(tǒng)的，相信隨著機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人控制理論必將日趨成熟。2機(jī)器人的控制方式按照控制反饋方式分，機(jī)器人的控制方式可分為非伺服型控制方式和伺服型控制方式。按照機(jī)器人手部在空間的運動方式分，機(jī)器人的控制方式可分為點位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服控制。不同的工藝要求，就有不同的控制方式相匹配。(1)控制作用輸出方式按照機(jī)器人的控制作用輸出方式，機(jī)器人的控制方式可分為力控制方式、速度控制方式等類型。1)力控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準(zhǔn)確定位之外，還要求使用適度的力或轉(zhuǎn)矩進(jìn)行工作，這時就要利用力(轉(zhuǎn)矩)伺服方式，這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過

16、輸人量和反饋量不是位置信號，而是力(轉(zhuǎn)矩)信號，因此系統(tǒng)中必須有力(轉(zhuǎn)矩)傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進(jìn)行自適應(yīng)式控制。2)速度控制方式：機(jī)器人運動的控制實際上是通過各軸伺服系統(tǒng)分別控制來實現(xiàn)的，分解運動的速度控制要求各伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器以不同的分速度同時聯(lián)合運行，能保證機(jī)器人末端執(zhí)行器沿笛卡爾坐標(biāo)軸穩(wěn)定地運行.控制時先把末端執(zhí)行器期望的笛卡爾位姿分解為各關(guān)節(jié)的期望速度，然后再對各關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制。(2)控制命令來源按照機(jī)器人的控制命令來源不同，機(jī)器人的控制方式方位程序控制方式、自適宜控制方式、智能控制方式和其他控制方式。（3）機(jī)器人的控制功能機(jī)器人的控制功能就是對機(jī)器人工作過程中的動

17、作順序、位置、姿態(tài)、路徑、動作時間，末端執(zhí)行器實施力和力矩等的控制。主要涉及示教再現(xiàn)功能和運動控制功能。1）示教再現(xiàn)功能是指示教人員預(yù)先將機(jī)器作業(yè)的各項參數(shù)預(yù)先教給機(jī)器人，在示教的過程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)的記憶裝置就將所教的操作過程自動地記錄在存儲器中。當(dāng)需要機(jī)器人工作時，機(jī)器人的控制系統(tǒng)就調(diào)用存儲器中儲存的各項數(shù)據(jù)，使機(jī)器人再現(xiàn)教過的操作過程，完成作業(yè)任務(wù)。2）運動控制功能是指通過對機(jī)器人手部在空間的位置、速度、加速度等項的控制，使得機(jī)器人的手部按作業(yè)的要求進(jìn)行動作，完成作業(yè)任務(wù)。（4）機(jī)器人控制的關(guān)鍵技術(shù)包括五個方面：1）開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2）模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)3）機(jī)器

18、人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)4）網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)（5）機(jī)器人示教包括直接示教和離線示教。1）直接示教：手把手示教，由人直接搬動機(jī)器人的手臂對機(jī)器人進(jìn)行示教，如示教盒示教或操作桿示教等。2）離線示教：不對實際作業(yè)的機(jī)器人直接進(jìn)行示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境生成示教數(shù)據(jù)，間接地對機(jī)器人進(jìn)行示教。6.1.2機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元。機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成包括：（1）控制計算機(jī)、（2）示教盒、（3）操作面板、（4）硬盤和軟盤存儲、（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出、（6）打印機(jī)接口、（7）傳感器接口、（8）軸控制器、（9）輔助設(shè)備控制、（10）通信接口、（11）網(wǎng)絡(luò)接口機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要素包括驅(qū)動裝置、傳

19、動裝置、運動特性檢測傳感器、控制器硬件和控制器軟件。（1）驅(qū)動裝置作為驅(qū)動機(jī)器人的驅(qū)動力，常見的有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、直流伺服電機(jī)驅(qū)動、交流伺服電機(jī)的驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。由于直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)的流經(jīng)電流較大，一般從數(shù)安培到幾十安培，機(jī)器人電機(jī)的驅(qū)動需要使用大功率的驅(qū)動電路，為了實現(xiàn)對電機(jī)運動特性的控制，機(jī)器人常采用脈沖寬度調(diào)制(PWM方式進(jìn)行驅(qū)動。(2)傳動裝置傳動裝置是為了增加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、降低運動速度，機(jī)器人常用的傳動裝置在之前已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。(3)運動特性檢測傳感器機(jī)器人運動特性檢測傳感器用于檢測機(jī)器人運動的位置、速度和加速度等參數(shù)機(jī)器人常用的傳感器在之前已經(jīng)進(jìn)行詳細(xì)的討論。(

20、4)控制器的硬件機(jī)器人的控制器是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的，機(jī)器人控制器的硬件系統(tǒng)采用的是二級結(jié)構(gòu)，第一級為協(xié)調(diào)級，第二級為執(zhí)行級.協(xié)調(diào)級實現(xiàn)對機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運動，實現(xiàn)機(jī)器人和外界環(huán)境的信息交換等功能，執(zhí)行級實現(xiàn)機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的伺服控制，獲得機(jī)器人內(nèi)部的運動狀態(tài)參數(shù)等功能，(5)控制系統(tǒng)的軟件機(jī)器人的控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對機(jī)器人運動特性的計算、機(jī)器人的智能控制和機(jī)器人與人的信息交換等功能。(6)工業(yè)機(jī)器人控制的特點1)傳統(tǒng)的自動機(jī)械是以自身的動作為重點，而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)則更著重本體與操作對象的相互關(guān)系。2)工業(yè)機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。3)每個自由度一般包含一個伺服機(jī)構(gòu)，多個獨立的

21、伺服系統(tǒng)必須有機(jī)地協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量的控制系統(tǒng)。4)描述工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅是位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度、甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中還經(jīng)常采用一些控制策略，比如使用重力補(bǔ)償、前饋、解耦、基于傳感信息的控制和最優(yōu)PID控制等。5)工業(yè)機(jī)器人還有一種特有的控制方式一一示教再現(xiàn)控制方式。5.2伺服控制系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)。伺伺服控制系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng),伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀服系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任

22、意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于國防軍工，如火炮的控制，船艦、飛機(jī)的自動駕駛，導(dǎo)彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國民經(jīng)濟(jì)的許多部門，如自動機(jī)床、無線跟蹤控制等。在很多情況下，伺服控制系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械

23、位移（轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。早期的工業(yè)機(jī)器人都用液壓、氣壓方式來進(jìn)行伺服驅(qū)動，隨著大功率交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，目前大部分被電氣驅(qū)動方式所代替，只有在少數(shù)要求超大的輸出功率、防爆、低運動精度的場合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動。電氣驅(qū)動無環(huán)境污染，響應(yīng)快，精度高，成本低，控制方便。電氣驅(qū)動按照驅(qū)動執(zhí)行元件的不同又分為步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和交流伺服電動機(jī)驅(qū)動三種不同形式；按照伺服控制方式分可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低，適

24、用子位置精度要求不高的機(jī)器人中：交、直流伺服電動機(jī)用子閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)可以精確測量機(jī)器人關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的實際位置信息，并與理論值進(jìn)行比較，把比較后的差值反饋輸人，修改指令進(jìn)給值，所以這類系統(tǒng)具有很高的控制精度。由于伺服系統(tǒng)服務(wù)對象很多，如機(jī)器人臂部位置控制、手部末端軌跡控制、計算機(jī)光盤驅(qū)動控制、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、迸給跟蹤系統(tǒng)等，因而對伺服系統(tǒng)的要求也有差別。工程上對伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求很具體，可以歸納為以下幾個方面：對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的要求；對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求；對系統(tǒng)工作環(huán)境條件的要求：對系統(tǒng)制造威本、運行的經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化程度、能源條件等方面的要求。雖然因服務(wù)對象的運動部件、檢測

25、部件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)等的不同而對伺服系統(tǒng)的要求存在差異，但所有伺服系統(tǒng)的共同點是帶動控制對象按照指定規(guī)律作機(jī)械運動。從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)五部分。伺服系統(tǒng)組成原理框圖如圖6.3所示。輸入指令比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件披控對象輸出量測量、反饋元件圖6.3伺服系統(tǒng)組成原理框圖(1)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機(jī)來實現(xiàn)。(2)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)即控制器，通常是計算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的差信號進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求

26、動作。(3)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動被控對象工作。(4)被控對象被控對象是指被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體.被控對象一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載。(5)檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不成立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中，如測速直流電動機(jī)既是執(zhí)行元件又是檢測元件。2伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)若控制系統(tǒng)沒有檢測反饋裝置則稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)。它主要由驅(qū)動電路、執(zhí)行元件和被控對象三部分組成。常用的執(zhí)行元件是步

27、進(jìn)電動機(jī)，通常以步進(jìn)電動機(jī)作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)稱為步進(jìn)式伺服系統(tǒng)。驅(qū)動電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但精度不是很高，目前，大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床采用開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，近年來，老式機(jī)床在數(shù)控化改造時，工作臺的迸給系統(tǒng)廣泛采用開環(huán)控制，這種控制的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6.4所示，數(shù)控裝置發(fā)出脈沖指令，經(jīng)過脈沖分配和功率放大后，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)和傳動件累積誤差。因此，開環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低，一般可達(dá)到001m皿左右，且速度也有一定的限制。圖6.4開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖雖然開環(huán)控制在精度方面有不足，但其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、調(diào)整和維修都比較方便。另外，由于被控量不以任何形式反饋

28、到輸入端，所以其工作穩(wěn)定(可靠。因此，在一些精度、速度要求不是很高的場合，如線切割機(jī)、辦公自動化設(shè)備中還是獲得了廣泛應(yīng)用。(2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)通常把安裝在電動機(jī)軸端的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，由于電動機(jī)軸端和被控對象之間存在傳動誤差，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一環(huán)伺服系統(tǒng)的區(qū)別在于其檢測元件位于系統(tǒng)傳動鏈的中間，故稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。顯然，由于有部分傳動鏈在系統(tǒng)閉環(huán)之外，故其定位精度比全閉環(huán)的稍差，但由于測量角位移比測量線位移容易，并可在傳動鏈的任何轉(zhuǎn)動部位進(jìn)行角位移的測量和反饋，所以結(jié)構(gòu)比較簡單,調(diào)整、維護(hù)也比較方便。由于將慣性質(zhì)量很大的工作臺排除在閉環(huán)之外

29、，這種系統(tǒng)調(diào)試比較容易、穩(wěn)定性好，具有較高的性價比，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電一體化設(shè)備。(3)全閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖6.6所示是一個全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，安裝在工作臺上的位置檢測器可以是直線感應(yīng)同步器或長光柵，它可將工作臺的直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，并在比較環(huán)節(jié)與指令脈沖相比較，所得到的偏差值經(jīng)過放大，控制伺服電動機(jī)驅(qū)動工作臺向偏差減小的方向移動。若數(shù)控裝置中的脈沖指令不斷地產(chǎn)生，工作臺就不斷隨之移動，直到偏差等于零為止。圖6.6全閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖全閉環(huán)伺服系統(tǒng)將位置檢測器件直接安裝在工作臺上，從而可獲得工作臺實際位置的精確信息，定位精度可以達(dá)到亞微米級。從理論上講，其精度主要取決于檢測反饋部件的誤差，而與放大器、傳動裝置沒有直接的聯(lián)系，實現(xiàn)高精度位置控制的一種理想的控制方案。但實現(xiàn)起來難度很大，機(jī)械傳動鏈的慣量、間隙、摩擦、剛性等非線性因素都會給伺服系統(tǒng)造成影響，