电子科技大学移动机器人技术-课程设计

电子科技大学移动机器人技术课程设计课程设计题目：低成本工业机械手数控系统课程设计内容：液压驱动三维机械手的PID控制指导教师：任玉琢学号：2011079xx00xx201205摘要近年来，随着国民经济的发展，工业自动化需求越来越高。目前在各种不同的企业中，比如注塑行业、铸件行业等，经常有工件需要搬运。但是，目前绝大多数采用手工作业，引发了大量的工伤事故。机械手不仅可以提高产品质量和生产效率，降低劳动强度，而且可以避免人为操作引发事故等。实际的自动化生产线上使用的机械手更加强调运行速度、定位准确度和成本因素，这三者本身就是相互制约的。一般来说，速度太快则会导致精度过低，这样将无法保证产品的质量；如果速度太慢，则可以在一定程度上提高定位精度，但是却无法满足在实际生产中的效率。因此，在这样的背景下现代的取料机械手需要更加重视成本问题。因此，如何在提高取料机械手运行速度以满足生产效率的前提下提高精度以满足产品质量要求是迫切需要解决的问题。根据工业实用化的具体要求，提出一种电气混合驱动的具有成本低廉、定位精度高的工业取料机械手，解决实用化过程中遇到的一些技术难题，具体工作如下。通过对适用于不同环境的不同形状和结构的取料机械手总体机械结构和驱动方式研究，针对目前取料机械手成本高、运行速度慢、定位精度低等缺点，设计了成本低、运行速度快、定位精度相对较高、功能完善、电气混合驱动的高集成度的虚拟样机系统模型。最后完成了针对上述研究的实验，实验结果表明该取料机械手具有性价比高、定位精度好、使用灵活等优点，可以广泛应用于注塑行业、机械行业、电子行业、化工行业、食品和包装行业等各种行业。目录1机械手控制及研究现状2三维机械手的结构及其数学模型3PID控制器的设计4单片机微机控制系统的实现4．1硬件设计4．2软件设计1机械手控制及研究现状机械手的驱动装置有步进电机，伺服电机，液压和气动等，其中，电液伺服系统具有明显的优势，但是，由于电液伺服系统中压力与流量的关系为非线形关系，伺服阀零偏，双向增益不等原因，所以，电液伺服系统难以利用已有的古典控制方法对其进行设计，因而电液伺服系统就成为电液控制领域的研究热点之一。机械手轨迹控制的传统方法一般有PID控制、计算力矩方法、变结构控制、解耦控制、自适应控制、迭代学习控制、神经网络控制等。其中PID控制是研究热点之一。PID用于控制，具有如下特点：可以处理难以用模型或规则描述的过程；能同时处理大量的不同类型的信息；并行分布式信息处理模式等。三维机械手控制器是通过控制三路气动开关(每路各有2个气动开关，分别控制进气和出气)，进而控制三台气动活塞，达到控制机械手三维立体运动的装置。该控制器采用三只光栅尺测量三台活塞运动的长度，通过三只光栅尺把长度转换为一系列电脉冲，并输送到8751单片机进行分析处理。通过8751单片机的处理后，产生并输出了控制信号，控制气动开关动作，达到控制机械手立体运动的目的。该系统可以从键盘输入机械手的立体运动程序，即三台活塞运动的长度、单步或者多步运行、每步运行的步长、每步运行之间的间隔时间、每步运行的速度及有关功能的命令等。系统的数据显示采用6位LED数字显示，显示内容为：从键盘输入的机械手的运动程序即用户指令(由字母和数据组成)。该系统由8751单片机系统，气动开关，气动活塞，光栅尺组成了一个闭环自动控制系统。。其原理方框图如图1所示。图l机械手控制器系统原理方框图2三维机械手的结构及其数学模型三维机械手的结构示意见图2，驱动油缸为双铰结构，支撑在手臂的三个侧面，油缸通过铰轴将位移转换成角位移。液压缸分别由2个伺服闵控制，液压及控制系统原理见图3．图中控制器包括信息放大，A／D转换，功率放大等图2机械手结构示图3液压控制系统原理图3PID控制器的设计因为其结构为三维设计，所以必须用与以前不同的PID技术，我们称之为专家PID，专家智能控制是指将专家系统的理论和技术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。把基于专家控制的原理所设计的系统或控制器，分别称为专家控制系统或专家控制器。它对环境的变化有很强的自适应能力和自学习功能，具有高可靠及长期运行的连续性、在线控制的实时性等特点。因此，在工业控制中的应用越来越为人们所重视，专家智能控制是智能控制发展中一个极有应用前途的方向。专家控制(ExpertContro1)的实质是，基于受控对象和控制规律的各种知识，而且要以智能的方式来利用这些知识，求得受控系统尽可能地优化和实用化，它反映出智能控制的许多重要特征和功能。人工智能领域中发展起来的专家系统是一种基于知识的、智能的计算机程序系统。专家系统有两个要素：(1)知识库——存储有某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。(2)推理机制——按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中知识条目进行推理、判断和决策。专家控制的理想目标是要实现这样一个控制器或控制系统：(1)满足复杂动态过程的控制需要，例如任何时变的、非线形的、受到各种干扰的受控过程。(2)控制系统的运行可以利用一些先验知识、而且只需要最少量的先验知识。(3)有关受控过程的知识可以不断地增加、积累，据以改进控制性能。(4)潜在的控制知识以透明的方式存放，易于修改和扩充。(5)用户可以对控制系统的性能进行定性的说明，例如“速度尽可能快”、“超调要小”等。(6)能对控制性能和控制闭环中的单元进行诊断，，包括传感器和执行机构的故障诊断等(7)用户可以访问系统内部的信息，进行交互。例如受控过程的动态特性、控制性能的统计分析、限制控制性能的因素，以及对当前采用的控制作用的解释等。专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机三部分。专家系统可视为广义调节器，专家知识库中经把熟练操作工或专家的经验和知识，构成PID参数选择手册，这部手册记载了各种工况下被控对象特性所对应的P、I、D参数，数据库根据被控对象的输入与输出信号及给定信号提供给知识库和推理机。推理机能进行启发式推理，决定控制策略。优秀的专家系统可对已有知识和规则进行学习和修正，这样对被控过程对象的知识了解可大大降低，仅根据输入、输出信息，就能实现智能自整定控制。专家PID控制器原理框图如图4所示。它是在PID算法的基础上，由增加求误差E与误差变化AE模块、查Fuzzy矩阵表、查知识集、知识判断、知识调整几个软件模块组成。(1)查E与AE模块：该模块由脉冲计数程序、软件滤波器程序及E和AE计算程序组成。(2)查Fuzzy矩阵表模块：该模块由二维对分查找软件及Fuzzy矩阵表格组成，它根据输入的E和计算的△E值，查表求出相对应的数值。(3)查知识集模块：该模块执行对控制知识的管理、查找，还具有知识的输入、存储等人机操作功能。(4)知识判断模块：该模块含有最佳性能指标。在指定某一种性能指标后，对于每一次受控对象的过渡过程，它判断其响应曲线是否达到所指定的性能指标，并将其信息传递给知识调整模块。(5)知识调整模块：根据知识判断模块传递来的信息，决定是否需要对修正系数qp、qi、qd进行调整。若不要调整，则保持原先的qp、qi和qd输出。若要调整，则先查知识集模块，决定相应的修正参数qp、qi和qd，根据性能指标差距大小，对参数进行相应的修改，并记忆此次的性能指标和被调参数，以作为下一次修改参数的根据。定义Kp、Ki和Kd参数调整算式如下：Kp=Kp’+(Ei，△Ep)×qp、Ki=Ki’+(Ei，△Ei)×qiKd=Kd’+(Ei，△Ed)×qd模块(1)、(2)用于在每一次控制过程中，按式三式中随时调整PID控制器的三个参数I(Kp、Ki和Kd，但在一个控制过程内，PID修正系数qp、qi和qd的值变化不变。Kp、Ki和Kd的值随着（Ei，△E)的值变化而改变，其中(Ei，△E)由Fuzzy参数调整矩阵表确定。模块(3)一(5)用于修改qp、qi和qd)三个参数，它们是在每一次控制过程结束后，根据被控对象的输出n向应特性与要求的性能指标进行比较，修改qp、qi和qd)三个参数，逐步改善机械手的动态和稳态性能。图4专家PID控制器原理框图4单片机微机控制系统的实现4．1硬件设计三维机械手控制器硬件设计的目的是：(1)具有3路电脉冲计数器，以便用于三只光栅尺长度的计算。(2)具有6位LED数字显示，以显示键盘输人的字母、数字及测量的活塞的运行长度。(3)具有键阵功能，可方便地进行字母、数字的输人及功能键的使用，以实现简单的人机对话。(4)具有足够的程序存储区EPROM和数据存储区RAM。(5)具有3路控制输出信号，用于控制6个气动开关。(61具有串行通讯能力，以便与其它通用微机通讯。具有足够的用户程序存储区EEPROM,以便存储用户从键盘输入的机械手的工作程序或其它通用微机从串行口输人的用户程序。为达到以上目的，系统的主要扩展芯片及配置有：并行接口8255、地址锁存器74LS373、计数器8253、EEPROM(2816)、RAM(6116)、6位LED数码管、键盘等。系统硬件结构如图5所示。4．2软件设计系统软件采用模块化结构。整个程序由主程序模块，运行控制程序模块，键扫描及处理子程序模块，显示子程序模块，用户程序存储子程序模块，串行通讯子程序模块等组成。(1)主程序模块主程序是把各子程序模块灵活地结合起来，其中3个功能程序模块由键盘上的3个功能键分别控制。当系统需要完成某一功能时，只需在键盘上按下相应的功能键，然后由功能键处理子程序判断并转人相应的功能程序模块。操作十分方便、灵活。(2)运行控制程序模块该程序模块首先对工作原位进行检测。当检测到工作原位信号后，就开始对来自三台光栅尺的六路电脉冲信号分别进行计数，把计数值换算为长度，并与用户设定的运行长度进行比较，选择设定的运行速度，经过专家系统参数整定及PID控制后，输出三路控制信号，分别控制六个气动开关动作，使气动活塞产生运动，带动机械手按用户设定的长度及工作步骤运动，直到运行完用户设定的工作程序并控制机械手返回原位为止。(3)显示子程序模块六位数字显示器采用8255的PA口作为位选口，也即扫描口。PB口作为段数据显示口，设置6个显示缓冲单元，将显示数据逐位送到显示口PB口，轮流关、亮各位显示器，即采用动态逐位扫描显示工作方式。(4)键扫描及处理子程序模块键扫描利用8255芯片的PC口的低4位作为行输入口，PA口作为列输出口。该程序模块完成的功能有：①检测键盘上有无键闭合；②延时扫描消除键的机械抖动；③判断闭合键的键号并保存；④对功能键及数字、字母键分别进行处理。(5)用户程序存储子程序当用户在键盘输入及设定机械手的运行命令、数据后，按下用户程序存储键，可自动地把用户所输入及设定的工作程序，存储在EEPROM中。(6)串行通讯子程序用户可在通用微机上，把需设定的机械手的工作程序，在通用微机上编程后，通过其串行口与8751的串行口相连，把编程后的工作程序输送到机械手控制器，并存储在EEPROM中。如用户需调出EEPROM中存储的内容，也与通用微机相连，把EEPROM中的内容调到通用微机中，进行修改、存盘或重新输入EEPROM中存储。通过本模块也可实现与微机网络联网，形成集散控制系统。图5硬件结构框图参考文献：[1]周宏．2001．气动技术的新发展[J]．液压气动与密封．[2]龙立新．1999．工业机械手的设计分析[M]．焊工之友．[3]王承义．1981．机械手及其应用[M]．北京：机械工业出版社．[4]天津大学《工业机械手设计基础》编写组．1979．工业机械手设计基础[M]．天津：天津科学技术出版社．[5]彭光正。孟志娟．2006．模糊PID控制在气动机械手中的应用[J]．机床与液压，(7)：13-15．[6]曹会发，陶国良，周洪．2006．气动执行器伺服定位模糊PID控制[J]．机床与液压，(9)：25-27．[7]杨清海．1995．气动位置伺服系统及其控制方法的研究[D]：[博士]哈尔滨：哈尔滨工业大学．[8]朱仁宗．2003．气动位置伺服控制的控制方法研究与设计[D]：[硕士