示教再现式机械手伸缩臂的计算机控制系统（本系统摘自熊世和编 机电系统计算机控制技术 1993年） 1示教再现式机械手伸缩臂系统的工作原理 示教再现式机械手伸缩臂的基本结构如图1所示其基本组成有四部分：1)阀控油缸驱动源采用液压，具有出力大，响应快等优点，但系统复杂，它是控制系统的执行机构；2)示教再现操作器，是人机交道的接口；3）计算机，它具有记忆、比较和控制功能等；4）AD和D/A接口板，简化为采样器和保持器。图1 示教再现式机械手伸缩臂系统原理图 示教时，系统中的硬件开关片K1与A闭合，并通知计算机，计算机将软件开关K1；接到A，系统处于开环工作状态通过示教开关K1的正转、反转，可使机械手停在所需要的工作位置。这些数据存放于计算机寄存器中，但由于伺服放大器和电液伺服阀存在着零漂，所以一旦某一点示教结束，搬动开关K1至中间定位位置，系统转入闭环工作状态，即投入定位程序此时，采样当前的位置值为y与前一个采样值为R进行比较，若误差；机械手动作(正转或反转)，以消除位置误差，一直到，机械手停止。其定位程序框图如图2所示。 记录：当示教的位置点需要保存下来，拨动开关K5，产生记录中断。当定 图2 示教机械手程序流图位程序运行到“有否中断”时，计算机就马上转到记录程序工作，如图2所示。记录程序首先消除记录中断，然后取存储单元k，把第一个示教点的位置R1存入k单元保存，再取下一个存储单元k+1，为存入下一个示教点作准备。此外还记录存储点数n,当存入第一点时，n=1。随后转到定位程序，此时可进行第二个点的示教若第二点也要存入，再拨动记录开关K5，第二个示教点R2存入k+l单元，n=2，并把存储单元k+2准备好这样不断反复操作，可将所需要的示教点全部存入计算机的存储单元中去记录完毕后，机械手停留在最后一个示教点位置上，恢复到定位程序运行 再现：将示教动作再现是通过执行程序来完成的。当拨动执行开关K3，计算机得到中断信号，系统从定位程序转到执行程序首先开中断，然后从存储器l中取出第一个示教点R1，并与机械手手臂当前位置y进行比较若存在误差，则将误差，送入数字 控制器D(z)进行数据处理，然后输出。只要和不同时为零，机械手手臂就一直运动由于D(z)的设计是采用无波纹有限拍的数字控制器，因而经过有限拍后能满足和同时为零，则机械手手臂停止运动。此时机械手手臂再现了第一个示教点的动作，其执行程序框图如图2所示。机械手手臂有定位点上的停留时间，是以的信号为准。考虑到系统的精度，取时开始计时，当规定停留的时间一到，计算机从k+l中取出第二个示教点，这样依次类推，直到最后一个示教点再现完毕；当最后一个示教点复现完毕，执行程序点数到，则又恢复k，再重新复现示教点，因此只要一执行，机械手手臂就周而复始地不断工作。 清零程序有时需要更换记录中的示教点，首先要将存储器中的全部记录点清除该任务是由清零程序完成。拨动清零点关K4，计算机得到清零中断信号，其运行由定位程序转到清零程序。首先清除清零中断，取存储单元k，k+l，k+2，判别这些存储单元的存数是否为零。若不为零，则存入零然后再清除示教点的个数n，恢复k值，为新的示教作准备。清零结束，计算机运行又回到定位程序，其请零程序见图2。 返回程序：在机械手手臂运行过程中，如果需要它停下来，可以在任何时刻拨动返回开关K2，则机械手手臂从拨动K2，开始继续完成余下来的示教点。当执行完最后一个示教点后，机械手就停止再现，此时计算机转到定位程序运行，机械手就停在最后一个示教点位置上。 上面所介绍的示教再现机械手手臂伸缩系统的计算机程序仅仅是用于点到点的控制，没有涉及到运动轨迹的控制。 2闭环手臂伸缩系统数字控制器D(z)的设计和实现 上面介绍了机械手手臂伸缩系统的工作原理，其中最核心的问题是控制器D(z)的设计，其次是计算机实现的控制算法现在就这两个问题进行讨论 1)D(z)的设计 将图1所示的控制系统简化为如图3所示的方框图。图中 D(z)-数字控制器； -零阶输出保持器； -阀控油虹的传递函数。 图 3 机械手手臂伸缩控制系统框图 为了进行离散系统的设计，则首先将连续部分的传递函敷转化为z传递函数，采用零阶保持器法，把连续部分的传递函敷转化为z传递函数为 式中 其中ke根据所选要求的电磁阀确定。对象参数可以根据理论计算或试验确定。这里关键是采样周期T如何确定。对于采样周期T选择的基本原则是： (1)根据对象的传递函数，对象传递函数为 式中的积分因子可以用大时间常数的惯性因子逼近因此要采样的函数是由指数和正弦波构成。即在过渡过程中，必定有 其对应的振荡周期为 一般可取采样周期为 (2)根据计算机计算速度和系统所要求的控制回路敷，由于A/D和D/A转换需要时间，而计算机执行程序亦需要时间。因此可以确定采样周期的下限为 式中m-一台计算机的控制回路数； N-一次采样和信号处理时间。 (3)根据控制方案，如采用最少拍控制，采样周期减小，则系统的总增益K增大。当K大到一定程度，就进入系统的某些元件的饱和区，这时系统就变成了非线性系统，如再进行线性控制，系统就失控。2）最少拍数字控制器D(z)的设计 机械手手臂伸缩系统的离散系统框图如图4所示。其闭环传递函数为 控制器传递函数为 最少拍控制系统，对于单位阶跃输入，则其闭环传递函数应为 z=0为闭环特征方程的根，其在z平面单位圆的圆心上，因而不仅系统是稳定的而且具有极大的稳定度和最短的过渡过程时间。又由于误差传递函数则得控制器的传递函数为图4 手臂伸缩离散系统框图经过z反变换得到计算机输出的时域差分方程为 于是得出计算机解D(z)的框图如图5所示。 本系统还采用有限拍无纹波数字控制器设计方法进行设计。对此本文没有进行摘录，有兴趣读者可查阅原文。 图5 有纹波数字控制器解算框图6