基于RTW的PUMA560关节控制系统设计(2)
2014-03-23 01:26
导读：PUMA560 机械臂关节控制系统采用双闭环结构，其中内环为速率环，作用是抑制干扰，并提高系统的响应速度，使各关节平稳快速地到达目标位置，带宽一般
PUMA560 机械臂关节控制系统采用双闭环结构，其中内环为速率环，作用是抑制干扰，并提高系统的响应速度，使各关节平稳快速地到达目标位置，带宽一般比较高，我们采用比例控制器，对于比例控制器，系统带宽的大小直接与比例系数K 有关。速率环采用比例控制器的方块图及其Bode 图如所示。
从可以看出，采用比例控制器时，系统的相角裕度为109°，剪切频率为49.8rad/s，满足系统的要求。为在RTW 中建立的关节1 的速率闭环实时仿真系统及测试效果。系统给定输入为正负15V 方波，根据反馈波形，该系统能控制效果较好。
3.2.2 位置控制器设计
位置环的主要作用是给机械臂定位，控制机械臂末端到达目标位置，是控制系统的主回路，其控制精度直接决定了机械臂控制系统的性能。本文采用比例积分的控制方式，这种方式一方面可通过比例环节提高系统响应速度，并改善系统的动态性能，另一方面可以通过积分环节消除系统的静差。
以关节 1 位置环设计为例，给定一个周期为1s，幅值为60° 的方波信号，作为期望位置，通过检测位置反馈信号，测试系统的性能所示。
3.2.3 位置控制器设计
为达到更好的控制效果，课题对关节1、2、3 采用双闭环控制，即为关节1 位置速率双闭环控制仿真框图及测试结果。
对比的输出波形，可以发现当采用位置速率双闭环控制时，在周期减小的情况下，其输出波形的上升时间稍有增长，而超调远远小于只用位置闭环控制时的超调，因而采用双闭环控制效果更好。关节2、3 也同样采用双闭环控制，但存在一个重力矩干扰的问题。
3.2.4 重力矩补偿
现代的工业伺服控制系统，大多采用直接驱动，因而负载上对系统的扰动影响更为直接，所以更要严格要求抑制扰动[6]。PUMA560 关节控制系统中，关节2、3 由于存在垂直方向的运动，所以不可避免地存在重力矩的干扰。经测试发现，这个重力矩虽然是不断变化的，但是在一定范围内存在一定的规律性。所以本文通过分析其规律性，在控制过程当中，引入一个前馈控制来补偿重力矩的干扰。
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本文对关节2、3 进行了重力矩测试，测试方法：给关节电机输入一个电压，使得关节维持在某个位置，关节每转动5°，测定一个补偿电压。测试完之后，绘出其输入电压与关节角度的关系曲线。为关节2 补偿电压变化规律曲线，我们发现在一定范围内两者存在线性关系。根据这种关系作出一个传递函数(分段线性函数)，给系统引入一个前馈控制，就可以达到补偿重力矩干扰的目的。
根据控制理论，如果系统存在强的低频扰动，则一般的反馈控制难以达到高稳态精度，此时采用复合控制可解决问题[5]。本文中，关节2、3 的伺服控制就是在控制系统中加入一个前馈通路，构成一个反馈控制与前馈控制相结合的复合控制系统，只要选择合适参数，就可抑制重力矩的干扰。给定一个周期为1s，幅值为±25°的方波信号，作为期望位置，通测试位置反馈信号来测试双闭环系统的性能。即为关节2 的实时仿真系统及测试结果。
4 结论
本文给出了一种基于MATLAB/RTW 的PUMA560 机械臂关节控制系统。根据机械臂各个关节驱动电机的大小，分别对第1、2、3 关节采用位置、速率双闭环控制，第4、5、6关节采用位置单闭环控制。本文还重点探讨了如何采用前馈控制解决第2、3 关节重力矩干扰的问题。最后，本文对该控制系统进行了测试，结果表明其具有通用性强、可靠性高、控制效果好等特点。
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