机电系统智能控制与应用第一次课.ppt
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机电系统智能控制与应用第一次课.ppt
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机电系统智能控制与应用,郝丽娜,考核方式,课程论文(50%)+考试成绩(50%),教学内容,第1章:
概述1.1常见机电系统工作原理与控制要求-03091.2智能控制的基本概念及MATLAB应用-0309第2章:
模糊控制器的设计与实现第3章:
基于神经网络的学习控制第4章:
遗传算法及其应用第5章:
先进智能控制技术,第1章:
概述1.1常见机电系统工作原理与控制要求,1.1.1机电系统概述1.1.2机电系统的控制要求1.1.3智能制造系统1.1.4智能移动机器人控制1.1.5典型工业机器人系统控制1.1.6倒立摆控制系统,1.1.1机电系统概述,机电一体化(Mechatronics)技术:
从系统的观点出发,将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合,以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。
机电系统:
在机械系统中引入微电子技术,并用软件将二者有机结合起来的系统。
概括:
以机为主,电为机用。
机电系统的应用,军事工业医疗服务,机电系统的构成,控制系统,系统及外部环境信息,检测系统,传动系统,运动信息,驱动系统,执行器,机械联系,位姿信息,机电系统的信息流,机电系统的构成,1)检测传感系统:
检测产品内部状态和外部环境,实现测量、感知功能。
要求:
体积小、精度高、抗干扰2)控制系统:
处理、运算、决策,实现控制功能。
要求:
高可靠性、柔性、智能化3)驱动系统:
提供能量,转换成需要的形式,实现动力功能。
要求:
效率高、可靠性好4)传动系统、机械本体:
力矩传递、运动传递;机身、框架、机械连接零件,实现各器件的支撑、连接。
要求:
可靠、小型,5)、执行机构:
操作器,接收控制信息,完成要求的动作,实现主功能。
机电系统的构成,1.1.2机电系统的控制要求,控制理论的中心问题:
控制后系统的动态、稳态性能指标以及系统的抗干扰、自适应、最优化性能。
对于机电控制系统,从控制理论的角度来说的基本要求如下:
1)稳定性:
指系统在受到外部作用后的动态过程的倾向和恢复平衡状态的能力。
不稳定的系统是无法工作的。
因此,控制系统的稳定性是系统分析和设计的首要内容。
(稳定性是基本要求)2)快速性:
在稳定的前提下,响应的快速性指系统消除实际输出量与稳态输出量之间误差的快慢程度。
3)准确性:
指系统达到稳定状态后,系统实际输出量与给定的希望输出量之间的误差大小,又称稳态精度。
4)自适应性能:
系统是否能够根据运行条件、性能要求自动调整自身的运行参数;5)最优性能:
即系统是否能够满足一定的优化指标,如效率最大化,耗能最小化等等。
从工程的角度,还要考虑的问题:
系统的可靠性,易维护性等等。
1.1.3智能制造系统,智能制造系统(IMS)可以在确定性受到限制或没有先验知识的、不可预测的环境下,根据不完全的、不精确的信息来完成拟人的制造任务,这是八十年代以来由高度工业化国家首先提出的开发性技术和项目。
智能制造系统,智能制造系统的目标是:
在制造系统中用机器智能来代替人们的脑力劳动,使脑力劳动自动化在制造系统中用机器智能代替熟练工人的操作技能,使得制造过程不再依赖于人的“手艺”。
不再依赖于人的监视和决策控制,使得制造系统的生产可以自主的进行,智能制造系统,智能制造系统,上图为一个IMS基本结构的例子,该例子是一台实现初步智能的数控铣床,智能表现在两个层次上,第一层为加工过程的智能控制,第二层为生产调度规划的智能控制,在加工过程智能控制中有以下几个部分实现。
判据选择规则库系统,在加工控制的高一级中提供加工操作与加工目标之间的联系;动作选择规则库系统,提供在一组由过程输入参数组成的动作中选择适当的一个法则,其结果一般是一组加工输入参数;过程模型,基于传感器的信息、零件信息和通用加工数据库的信息建立的切削过程动态模型。
一组决策律,施加在决策矩阵上去选择最好的动作。
它与一个决策质量估计子模块,结合在一起,当一个决策选取的时刻,能选择最好的动作。
1.1.4智能移动机器人控制,右图为一种智能移动机器人的体系结构,其中:
(a)部分为硬件结构(b)部分为软件结构,智能移动机器人控制,该体系可分为智能级和协调级两个部分:
智能级该级完成的功能是:
1)根据任务命令建立任务模型,完成任务规划;2)根据视觉处理系统提供的环境模型及目标命令进行全局路径规划及重规划。
该级由工作站及图形显示终端组成,系统中设有知识库、数据库、通用规划器和规划软件。
他是智能控制系统的任务级也是该特定系统的智能级。
协调级该级的主要功能是协调机器人各系统之间的关系,如:
(1)根据上级的规划决策命令,进行轨迹规划,形成车体运行命令,送给执行级控制车体移动;,智能移动机器人控制,
(2)接受视觉处理系统信号和建立环境模型,并进行局部路径规划和导航;(3)接受超声测量等子系统的障碍信息,进行局部环境建模,作超声避障和导航;(4)实现对移动机器人参数设置、状态变换、数据监测和控制以及人机交互。
该级由微型计算机及接口电路组成。
执行级该级包括视觉处理、环境建模系统、自动驾驶系统和临场感知人机交互系统。
该级完成机器人检测、控制和导航功能。
智能移动机器人控制,车体控制子系统可以实现速度闭环控制和位置闭环控制。
超声测量子系统可实现超声避障、导航及无碰撞目标搜索功能。
临场感知人机交互系统由主体观察器、无线电电视发送器、观察镜、头盔装置、无线电数据传动台、操纵椅及通用计算机模板等组成。
当智能移动机器人远离基地时,该系统能使坐在基地操纵椅上的操纵人员感受到好像在现场,有身临其境的感觉,能感知到现场的情况,通过操作装置控制移动机器人。
垂直关节型PUMA-562,水平关节型SCARA,1.1.5典型工业机器人系统控制,喷漆机器人,焊接机器人工作站,工业机器人系统的组成与结构,机器人本体多自由度的关节式机械系统,一般包括:
(1)驱动装置(能源,动力)
(2)减速器(将高速运动变为低速运动)(3)运动传动机构(4)关节部分机构(相当手臂,形成空间的多自由度运动)(5)把持机构,末端执行器,端拾器(相当手爪)(6)移动机构,走行机构(相当腿脚)(7)变位机等周边设备(配合机器人工作的辅助装置),机器人感知系统,内部传感器检测机器人自身状态(内部信息)如关节的运动状态机器人自身运动与正常工作所必需,外部传感器感知外部世界,检测作业对象与作业环境的状态(外部信息)如视觉、听觉、触觉等适应特定环境,完成特定任务所必需,机器人控制系统,驱动控制器伺服控制器(单关节),控制各关节驱动电机运动控制器规划、协调机器人各关节的运动,轨迹控制作业控制器环境检测,任务规划,确定所要进行的作业流程,机器人决策系统,通过感知和思维,规划和确定机器人的任务,而且应该具有学习能力。
机器人组成原理框图,机器人控制信息流程图,B,机械手概念图,机器人系统概念图,机器人系统的硬件构成示例,工业机器人控制系统工作过程,
(1)人工智能级组织层作业控制器
(2)控制模式级协调层运动控制器(3)伺服系统级执行层驱动控制器几种不同的称谓,机器人控制系统在物理上分为两级:
工控机与伺服控制器,但在逻辑上一般分为三级(层):
分析各层(级)的关系与区别,知识粒度数据处理功能类别作业控制级粗模糊决策运动控制级中精确任务分解驱动控制级细精确控制通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务,工业机器人典型控制方式,点位式(PTP,pointtopoint)实现点的位置控制,而点与点之间的轨迹却无关紧要。
如自动插件机,在贴片机上安插元件,点焊、搬运、装配等。
轨迹式(CP,continuouspath)指定点与点之间的运动轨迹为所要求的曲线,如直线或圆弧。
在进行弧焊、喷漆、切割等作业时十分必要。
速度控制方式对于机器人的行程要求遵循一定的速度变化曲线。
力(力矩)控制方式要求对末端施加在对象上的力进行控制,如抓放操作、去毛刺、研磨和组装等作业。
智能控制方式在不确定或未知条件下作业,通过传感器,内部的知识库,自主完成给定任务。
机器人特有伺服控制策略,重力补偿在伺服系统的控制量中实时地计算重力项,并加入一个抵消重力的量,可补偿重力项的影响。
耦合惯量及摩擦力的补偿在高速、高精度机器人中,必须考虑一个关节运动会引起另一个关节的等效转动惯量的变化,即耦合的问题;还要考虑摩擦力的补偿。
传感器的位置补偿在内部反馈的基础上,再用一个外部位置传感器进一步消除误差,这种系统称为传感器闭环系统或大伺服系统。
(否则为半闭环)前馈控制和超前控制前馈控制:
从给定信号中提取速度、加速度信号。
把它加在伺服系统的适当部位,以消除系统的速度和加速度跟踪误差。
超前控制:
估计下一时刻的位置误差,并把这个估计量加到下一时刻的控制量中。
各种智能控制策略,记忆修正控制(迭代学习控制)记忆前一次的运动误差,改进后一次的控制量;适用于重复操作的场合。
听觉控制有的机器人可以根据人的口头命令做出回答或执行任务,这是利用了声音识别系统。
视觉控制常将视觉系统用于判别物体形状和物体之间的关系,也可以用来测量距离、选择运动途径。
递阶控制(组织级、协调级、执行级)最低层是各关节的伺服系统,最高层是管理(主)计算机;大系统控制理论可以用在机器人系统中。
各种先进控制策略,模糊控制通常的模糊控制是借助熟练操作者经验,通过“语言变量”表述和模糊推理来实现的无模型控制。
神经控制人工神经网络控制神经控制便是由神经网络组成的控制系统结构。
鲁棒控制鲁棒控制的基本特征,是用一个结构和参数都是固定不变的控制器,来保证即使不确定性对系统的性能品质影响最恶劣的时候也能满足设计要求。
滑模控制滑模变结构控制系统的特点是:
在动态控制过程中,系统的结构根据系统当时的状态偏差及其各阶导数值,以跃变的方式按设定的规律作相应改变,该类控制系统预先在状态空间设定一个特殊的超越曲面,由不连续的控制规律,不断变换控制系统结构,使其沿着这个特定的超越曲面向平衡点滑动,最后渐近稳定至平衡点。
学习控制产生自主运动的认知控制系统,包括感知层、数据处理层、概念产生层、目标感知层、控制知识数据库、结论产生层等。
各种先进控制策略(续),示教再现法,给定方式直接示教方式,即操作人员直接带动机器人的手臂依次通过预定的轨迹;间接示教方式,即操作人员通过手动控制盒上的按键,编制机器人的动作顺序,确定位置、设定速度或限时。
示教储存示教过程就是编制程序的过程。
操作人员利用操纵手柄上的记录开关,使编码器输出端与存储器相联,信息就存储到存储器中去。
(多通道记录仪)再现执行机器人工作时,将存储器中所记录的各关节角信息传输给相应关节上的执行元件,以实现相应的关节角,由此按时间顺序完成在示教过程中所记录下的运动。
新松机器人控制器与示教编程盒,机器人的力控制,以位移控制为基础,位移控制作为系统的内环,力控制作为外环,位移输出和力输出都由同一个前向控制器实现,常难以同时满足两方面的控制要求。
以广义力控制为基础,位置和力的混合控制,通过力控制轴和位置控制轴的选择,确定各关节受控类型,分别进行控制。
显然,这一方案是优于上述两种方案。
机器人柔顺控制系统,主动柔性采用一个力反馈或组合反馈控制系统被动柔性通过操作机终端机械结构的变形来适应操作过程中遇到的阻力,如果末端装置、工具或周围环境的刚性很高,那么机械手要执行与某个表面有接触的操作作业将会变得相当困难。
常常希望机器人具有柔顺性(compliance)。
这样就需要使机器人成为柔性机器人系统。
1.1.6倒立摆控制系统,问题概述,倒立摆(InversedPendulum)自动控制理论与系统的典型研究对象,水平轨二级倒立摆,圆轨二级倒立摆,控制目标:
摆不倒,车不动控制手段:
直流机的转向与转速力矩电机检测手段:
用电位计检测r,位角检测问题分析:
一般反馈控制是不行的,单变量?
多变量?
自然不稳定,失稳过程很快,为一快速系统系统特点:
高阶、多变量、非线性、时变、强耦合、自然不稳定。
如果在摆体平衡态时让小车移动,便成为单足机器人系统,属于机器人学研究的范畴。
车摆系统建模,U,G,u,功率放
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