机器人学 哈工大

机器人学哈工大第1页/共255页§1.1.1机器人的定义美国机器人协会（RIA）定义日本机器人协会（JIRA）定义中国机器人定义（蒋新松）国际标准化组织（ISO）定义共同属性：1）象人或人的一部分，并模仿人的动作

2）具有智能或感觉与识别能力

3）是人制造的机器或机械电子装置第2页/共255页§1.1.2机器人的发展历史

古代人们期望生产机器替代人类劳动。

1921年，捷克作家KarelCapek在其科幻小说《罗素姆的万能劳工（UniversalRobot）》首次使用机器人词。

Capek梦想着有这样的情况，即生物过程可以创造出类人的机器，他们虽然缺乏感情和灵魂，但他们身体强壮并服从主人的命令，而且这些机器能够快速而廉价地生产出来。

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机器人市场很快发展起来：1.军用机器人：很多国家都想用成百上千的机器人士兵装备军队，为他们卖命，即使伤亡也不足惜。2.工业机器人：“铁领工人”3.娱乐机器人：机器人玩具4.服务机器人：护士助手、机器人厨师….

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机器人主要基于大规模生产考虑主要有以下两个原因：

1、劳动强度

2、尽量使用机器人完成简单、重复的作业以降低成本。

1950年，Asimov在其出版的《我，机器人》一书中，给机器人定下了三原则：

1、不伤害人类；

2、在原则一下服从人给出的命令；

3、在与上两个原则不矛盾的前提下保护自身第5页/共255页

1953年：MIT研制成功第一台数控铣床

机械手+NC技术

—>第一台工业机器人的产生

1954年：美国人George.C.Devol申请“可编程序的关节型搬运装置”发明专利

1958年：约瑟夫恩格尔伯格购买了德沃尔的专利，创造了世界上第一个制造机器人的公司—Unimation1959年：推出了第一台示教再现式的(Teaching-Playback)PUMA机器人

1961年：Unimation公司生产出第一台工业机器人定名为Unimate，62年在GM公司应用第6页/共255页1967年：丰田和川崎重工引进美国的Unimate和Versatran机器人1968年：通用汽车公司定购68台工业机器人1976年：CincinnctiMilacron公司进入工业机器人市场，广受欢迎1983机器人学无论是在工业生产还是在学术上都是一门受欢迎的学科，开始列入教学计划80年代日本机器人在世界占主要地位，占世界总产量的一半以上1994年底全世界工业机器人已发展到60万台2001年底全世界实际装备工业机器人102万台第7页/共255页第8页/共255页

40年代末期美国阿尔贡国家实验室遥控机械手的发展用于操作放射性材料(遥控式、双向主从式机械手)

第9页/共255页有关机器人重要术语机器人（robot）：可编程的多功能操作装置，通过可变的、预先编程的运动完成各种任务。遥控手（teleoperator）：远程操作控制进行工作的机器人叫遥操作机器人。可行走机器人（mobilerobot）：机座可运动的机器人。机器人学（robotics）：关于设计、制造和应用机器人的一门学科。第10页/共255页（a）Kuhnezug车载起重机；(b)FanucS-500机器人在卡车上执行焊缝任务

第11页/共255页机器人操作手与起重机进行比较：相似之处（结构、驱动、负载、控制器）具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；这些关节由驱动器驱动（电机）；操作机的“手”都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，并承载一定的负荷；都用一个中央控制器控制驱动器。不同之处（控制源、名称）起重机是由人来控制驱动器机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会相应改变。一个称为机器人，一个称为操作机。第12页/共255页§1.2机器人的特点、结构及分类

一、机器人的主要特点（通用性、适应性）机器人的特点包括如下两方面内容：

1．通用性 机器人的通用性取决于它的几何特性和机械能力。即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一任务。决定通用性有两方面因素：一个是机器人自由度；另一个是末端执行器的结构和操作能力。第13页/共255页

2．适应性 机器人的适应性是指其对环境的自适应能力，即要求所设计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能感知周围环境。在这个层次上，机器人运用它的下述能力：

(1)使用传感器感测环境的能力；

(2)分析任务空间和执行操作规划的能力；

(3)自动指令模式的能力。第14页/共255页

根据具体作业对象不同，机器人适应性主要考虑三种适应性：

(1)点适应性：即如何找到点的位置。

(2)曲线适应性：即如何利用传感器得到的信息(或特殊结构、材料等)沿曲面工作。

(3)速度适应性：选择最佳运动速度。（与倒立摆类似的两轮机器人）第15页/共255页二、机器人的结构组成

四大组成部分•执行机构•驱动单元•控制系统•智能系统第16页/共255页

执行机构

执行机构是机器人完成工作任务的机械实体一般为“机械手臂+末端操作器”

机械手臂manipulator：一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部

末端操作器end-effector

：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置）第17页/共255页

驱动单元

包括驱动器、运动件和传动机构驱动器：电机（步进电机、伺服电机、DD电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、绳传动、各种齿轮传动及液力传动。运动件：机器人本体上的各运动体。第18页/共255页

控制系统

一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（servocontroller）组成

控制计算机：根据作业要求接受编程发出指令控制协调运动并根据环境信息协调运动

伺服控制器：控制各关节的驱动器使其按一定的速度加速度和轨迹要求进行运动第19页/共255页

智能系统

正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三种机能

感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点

思维机能：求解问题的认识推理和判断机能——人工智能

人—机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能第20页/共255页三、机器人的分类

1、按机器人结构形式

一般工业机器人为6个自由度前三个称为手臂机构后三个称为手腕机构。根据手臂机构的运动付不同形式的组合得到不同的机器人机构形式。(1)直角坐标式(Cartesian)符号表示PPP第21页/共255页(2)圆柱坐标式(Cylindrical)符号表示RPP

第22页/共255页(3)球坐标式(Spherical)符号表示RRP

第23页/共255页(4)多关节式(Jointed)符号表示RRR

第24页/共255页第25页/共255页(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)关节轴线全平行由日本山梨大学牧野洋教授首先提出

第26页/共255页本课程案例教学机器人第27页/共255页2、按机器人控制方式

(1)非伺服控制机器人：这种机器人按照事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器控制机器人的工作。主要涉及“终点”、“抓放”或“开关”式机器人，尤其是有限顺序机器人。

(2)伺服控制机器人：通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，并带动末端执行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的作业。

第28页/共255页

伺服控制分为点位伺服控制和连续轨迹伺服控制两种。

点位伺服控制：机器人以最快和最直接的路径（省时省力）从一个端点移到另一个端点。通常用于重点考虑终点位置，而对中间的路径和速度不做主要限制的场合。实际工作路径可能与示教时不一致。

连续轨迹伺服控制：机器人能够平滑地跟踪某个规定的路径。第29页/共255页3．按机器人的信息输入方式日本工业机器人协会把机器人分为六类：1)手动操作手：由操作人员直接进行操作的有几个自由度的加工装置；2)定序机器人：按预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务，其预定信息难以修改；3)变序机器人：和第二类一样，但预定信息易于修改；4)示教式机器人：能够按照记忆装置存储的信息复现事先由人示教的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；5)程控机器人：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；6)智能机器人：通过感知信息独立检测工作环境或工作条件的变化，借助机器人本身的自我决策能力，进行相应的工作。它不受工作环境或工作条件变化的影响。

美国只将后四种定义为机器人。第30页/共255页§1.3机器人自由度、关节及坐标系一、机器人的自由度确定点在空间位置—三个坐标。确定刚体（三维物体，不是一个点）在空间位置—六个坐标（三个确定空间位置，三个确定空间姿态）。需要六个自由度才能将物体放到空间任意指定位姿（即位置和姿态）。少于六个自由度，机器人的能力将受到相应限制（自由度越少，限制越多）。第31页/共255页

1）三自由度机器人只能沿X、Y、Z轴运动不能指定机械手姿态

2）五自由度机器人

X、Y、Z移动和绕X、Y的转动（焊接、磨削机器人，不要求Z轴转动）

3）七自由度机器人解无穷多，要有附加决策程序使机器人从这些解中选择一个。（检验所有解，根据决策找出所求解，实际生产不用）第32页/共255页

1、将一个圆柱形零件放置在平板上，机器人应具有几个自由度？

2、人的手臂（包括肩、肘、腕）有几个自由度？思考题第33页/共255页二、机器人的关节

1、直线移动关节

2、转动关节（驱动方式）第34页/共255页滑动关节用P表示旋转关节用R表示球型关节用S表示机器人构型通常可用一系列的P,R,S来描述

思考题三滑动关节，三旋转关节怎样表示？答案：3P3R三、机器人的坐标

第35页/共255页四、机器人的坐标系

机器人运动学中通常定义以下三种坐标系：

1、全局参考坐标系：此时，机器人是通过各关节的组合运动产生沿X、Y、Z三个坐标轴直线运动和绕他们的转动。

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2、关节参考坐标系：此时，机器人是通过各关节独立运动产生期望运动。

3、工具参考坐标系：是一个活动坐标系，随机器人手运动而随之运动，在机器人控制中，它便于对机器人靠近、离开物体或安装零件进行编程。第37页/共255页§1.4SCARA教学机器人

SCARA教学机器人为平面关节型机器人，具有3个旋转关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直平面的运动。

第38页/共255页一、机器人特点1.机构采用平面关节型（SCARA）结构，按工业标准要求设计，速度快、柔性好；2.采用交流伺服电机和谐波减速器等，模块化结构，简单、紧凑；3.控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验；4.提供通用机器人语言编程系统，可通过图形示教自动生成机器人语言等程序；5.内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。第39页/共255页二、机器人参数结构形式平面关节式（SCARA型）负载能力1kg运动精度（脉冲当量/转）关节110000关节210000关节31600pulse/mm关节43200未端重复定位精度±0.1mm每轴最大运动范围关节10~270°关节20~200°关节30~60mm关节40~345°每轴最大运动速度关节10.5rad/S关节20.5rad/S关节36mm/S关节43.14rda/S第40页/共255页最大展开半径335mm高度480mm本体重量≤25Kg几何尺寸关节1（长度）200mm关节2（长度）135mm关节3（行程）60mm控制方式PTP/CP操作方式示教再现供电电源二相220U、50HZ安装要求安装方式水平安装安装环境温度：0~45℃湿度：20~80％RH（不能结露）震动：0.5G以下避免接触易燃腐蚀性液体或气体，远离电气噪声源第41页/共255页第2章机器人运动学2.1机器人的位姿描述2.2齐次变换及运算2.3机器人运动学方程2.4机器人微分运动第42页/共255页机器人的任务T6=A1A2A3A4A5A6第43页/共255页第2章机器人运动学运动学研究的问题：

手在空间的位姿及运动与各个关节的位姿及运动之间的关系。其中：正问题：已知关节运动，求手的运动。逆问题：已知手的运动，求关节运动。第44页/共255页一、机器人位姿的表示1、位置的表示坐标系建立后，任意点p在空间的位置可以用一个3×1的位置矢量来描述；例如，点p在{A}坐标系中表示为：

ｐ(ｘ,ｙ,ｚ)ｚｙｘｏ2.1机器人的位姿描述{A}第45页/共255页2、姿态（或称方向）的表示刚体的姿态可以用附着于刚体上的坐标系（用{B}表示）来表示；因此，刚体相对于坐标系{A}的姿态等价于{B}相对于{A}的姿态。坐标系{B}相对于{A}的姿态表示可以用坐标系{B}的三个基矢量xB、yB和zB在{A}中的表示给出，即[AxB

AyB

AzB]

,它是一个3×3矩阵，它的每一列为{B}的基矢量在{A}中的分量表示。2.1机器人的位姿描述第46页/共255页即：2.1机器人的位姿描述úúúûùêêêëé=),cos(),cos(),cos()A,cos()A,cos(),cos()A,cos(),cos(),cos(BBBBBBBBBzzAyzAxzAzy

yyxyAzxyxAxxARAB基矢量都是单位矢量，因此，上式又可以写成：第47页/共255页2.1机器人的位姿描述

称为坐标系{B}相对{A}的旋转矩阵。旋转矩阵的性质：1、三个列向量两两正交。2、每一行是{A}的基矢量在{B}中的分量表示。3、旋转矩阵是正交矩阵，其行列式等于1。4、它的逆矩阵等于它的转置矩阵，即：

第48页/共255页3、位姿的统一表示定义一组四向量矩阵[RP]，如图。其中，R表示{j}相对{i}的姿态，P表示{j}的原点相对{i}的位移。我们可以将{j}坐标系相对{i}坐标系描述为：ｚiｙiｘiｏiｚjｙjｘjｏjp2.1机器人的位姿描述第49页/共255页2.2.1、不同直角坐标系表示之间的关系

1、平移设坐标系{i}和坐标系{j}具有相同的姿态，但它俩的坐标原点不重合，若用3×1矩阵iPjorg表示坐标系{j}的原点相对坐标系{i}的表示，则同一向量在两个坐标系中的表示的关系为：2.2齐次变换及运算第50页/共255页2、旋转设坐标系{i}和坐标系{j}的原点重合，但它俩的姿态不同。设有一向量P，它在{j}坐标系中的表示为jP，它在{i}中如何表示？考虑分量：即：2.2齐次变换及运算ｚiｙiｘiｏiｚjｙjｘjｏjp第51页/共255页3、另一种解释对同一个数学表达式可以给出多种不同的解释，前面介绍的是同一个向量在不同的坐标系的表示之间的关系。上述数学关系也可以在同一个坐标系中解释的向量的“向前”移动或旋转，或则，坐标系“向后”的移动或旋转。例如:2P=R1P2.2齐次变换及运算第52页/共255页4、常用的旋转变换、绕z轴旋转θ角坐标系{i}和坐标系{j}的原点合，坐标系{j}的坐标轴方向相对于坐标系{i}绕轴旋转了一个θ角。θ角的正负一般按右手法则确定，即由z轴的矢端看，逆时钟为正。2.2齐次变换及运算ｚiｙiｘiｏiｚjｙjｘjｏjθθ第53页/共255页3.2齐次变换及运算14四月2023上式也可以表示坐标系固定，向量绕Z轴反向转动θ角。第54页/共255页、绕x轴旋转α角的旋转变换矩阵为：

2.2齐次变换及运算ｙiｚiｘiｏiｚjｙjｘjｏjαα第55页/共255页③绕y轴旋转β角的旋转变换矩阵为：

2.2齐次变换及运算ｘiｙiｚiｏiｚjｙjｘjｏjββ第56页/共255页绕任意轴的转动设绕k轴转动θ角，则旋转矩阵为：其中：2.2齐次变换及运算第57页/共255页若给定一旋转矩阵:则可计算出：2.2齐次变换及运算第58页/共255页2.2齐次变换及运算5、联合（平移+旋转）设坐标系{i}和坐标系{j}坐标原点不重合并具有不同的姿态。则空间任一矢量在坐标系{i}和坐标系{j}之间有以下关系：第59页/共255页若坐标系{i}和坐标系{j}之间是先旋转变换，后平移变换，则上述关系是应如何变化？2.2齐次变换及运算第60页/共255页例：已知坐标系{B}的初始位置与坐标系{A}重合，首先坐标系{B}沿坐标系{A}的x轴移动12个单位，并沿坐标系{A}的y轴移动6个单位，再绕坐标系{A}的z轴旋转30°，求平移变换矩阵和旋转变换矩阵。假设某点在坐标系{B}中的矢量为，求该点在坐标系{A}中的矢量。

2.2齐次变换及运算第61页/共255页解：由题意可得平移变换矩阵和旋转变换矩阵分别为：，则：

2.2齐次变换及运算14四月2023第62页/共255页1、齐次坐标的定义空间中任一点在直角坐标系中的三个坐标分量用表示，若有四个不同时为零的数与三个直角坐标分量之间存在以下关系：

则称是空间该点的齐次坐标。2.2齐次变换及运算2.2.2、齐次坐标变换以后用到齐次坐标时，一律默认k=1。第63页/共255页2.2齐次变换及运算2、齐次坐标变换为何使用齐次坐标在进行联合变换时，变换关系为：第64页/共255页将其写成统一的矩阵形式则有：

2.2齐次变换及运算式中，——齐次坐标变换矩阵，它是一个4×4的矩阵。第65页/共255页①齐次坐标变换矩阵的意义若将齐次坐标变换矩阵分块，则有：意义：左上角的3×3矩阵是两个坐标系之间的旋转变换矩阵，它描述了姿态关系；右上角的3×1矩阵是两个坐标系之间的平移变换矩阵，它描述了位置关系，所以齐次坐标变换矩阵又称为位姿矩阵。

2.2齐次变换及运算第66页/共255页联合变换与单步齐次变换矩阵的关系：任何一个齐次坐标变换矩阵均可分解为一个平移变换矩阵与一个旋转变换矩阵的乘积，即：

2.2齐次变换及运算第67页/共255页齐次变换的逆变换2.2齐次变换及运算第68页/共255页齐次变换的逆变换若齐次坐标变换矩阵为：则：

2.2齐次变换及运算第69页/共255页（2）齐次变换矩阵（D-H矩阵）

③联合变换与单步齐次矩阵的关系

当空间有任意多个坐标系时，若已知相邻坐标系之间的齐次坐标变换矩阵，则由坐标变换原理可知：

由此可知，建立机器人的坐标系，可以通过齐次坐标变换，将机器人手部在空间的位置和姿态用齐次坐标变换矩阵描述出来，从而建立机器人的运动学方程。

2.2齐次变换及运算2、齐次坐标变换{0}{i-1}{i}{n}第70页/共255页第71页/共255页机器人运动学小结

前面讨论机器人的运动学问题，包括机器人运动方程的表示、求解与实例，以及机器人的雅可比短阵分析和计算等，这些内容是研究机器人动力学和控制的重要基础。对于机器人运动方程的表示，首先用变换矩阵表示机械手的运动方向，用转角(即欧拉角)变换序列表示运动姿态，或用横滚、俯仰和偏转角表示运动姿态。一旦机械手的运动姿态由某个姿态变换矩阵确定之后，它在基系中的位置就能够由左乘一个对应于矢量P的平移变换来确定。这一平移变换，可由笛卡儿坐标、柱面坐标或球面坐标来表示。对于机器人运动方程的求解，分别讨论了欧拉变换解，滚—仰—偏变换解和球面变换解，得出各关节位置的求解公式。第72页/共255页电液伺服阀电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件，它能够把微小的电气信号转换成大功率的液压能（流量和压力）输出。从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。

液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。

伺服阀输入信号是由电气元件来完成的。电气元件在传输、运算和参量的转换等方面既快速又简便，而且可以把各种物理量转换成为电量。所以在自动控制系统中广泛使用电气装置作为电信号的比较、放大、反馈检测等元件；而液压元件具有体积小，结构紧凑、功率放大倍率高，线性度好，死区小，灵敏度高，动态性能好，响应速度快等优点，可作为电液转换功率放大的元件。因此，在一控制系统中常以电气为“神经”，以机械为“骨架”，以液压控制为“肌肉”最大限度地发挥机电、液的长处。由于电液伺服阀的种类很多，但各种伺服阀的工作原理又基本相似，其分析研究的方法也大体相同，故今以常用的力反馈两级电液伺服阀和位置反馈的双级滑阀式伺服阀为重点，介绍其工作原理，同时也介绍伺服阀的性能参数及其测试方法。第73页/共255页电液伺服阀的组成：

电液伺服阀包括电力转换器、力位移转换器、前置级放大器和功率放大器等四部分。

电力转换器：包括力矩马达（转动）或力马达（直线运动），可把电气信号转换为力信号。

力位移转换器：包括钮簧、弹簧管或弹簧，可把力信号变为位移信号而输出。

前置级放大器：

包括滑阀放大器、喷嘴挡板放大器、射流管放大器。

功率放大器——滑阀放大器：

由功率放大器输出的液体流量则具有一定的压力，驱动执行元件进行工作。电液伺服阀第74页/共255页电液伺服阀的分类

电液伺服阀的种类很多，根据它的结构和机能可作如下分类：

1）按液压放大级数，可分为单级伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀，其中两级伺服阀应用较广。

2）按液压前置级的结构形式，可分为单喷嘴挡板式、双喷嘴挡板式、滑阀式、射流管式和偏转板射流式。

3）按反馈形式可分为位置反馈、流量反馈和压力反馈。

4）按电-机械转换装置可分为动铁式和动圈式。

5）按输出量形式可分为流量伺服阀和压力控制伺服阀。

6）按输入信号形式可分为连续控制式和脉宽调制式。电液伺服阀第75页/共255页力反馈式电液伺服阀

力反馈式电液伺服阀的结构和原理如图所示，无信号电流输入时，衔铁和挡板处于中间位置。这时喷嘴4二腔的压力pa=pb，滑阀7二端压力相等，滑阀处于零位。输入电流后，电磁力矩使衔铁2连同挡板偏转θ角。设θ为顺时针偏转，则由于挡板的偏移使pa＞pb，滑阀向右移动。滑阀的移动，通过反馈弹簧片又带动挡板和衔铁反方向旋转（逆时针），二喷嘴压力差又减小。在衔铁的原始平衡位置（无信号时的位置）附近，力矩马达的电磁力矩、滑阀二端压差通过弹簧片作用于衔铁的力矩以及喷嘴压力作用于挡板的力矩三者取得平衡，衔铁就不再运动。同时作用于滑阀上的油压力与反馈弹簧变形力相互平衡，滑阀在离开零位一段距离的位置上定位。这种依靠力矩平衡来决定滑阀位置的方式称为力反馈式。如果忽略喷嘴作用于挡板上的力，则马达电磁力矩与滑阀二端不平衡压力所产生的力矩平衡，弹簧片也只是受到电磁力矩的作用。因此其变形，也就是滑阀离开零位的距离和电磁力矩成正比。同时由于力矩马达的电磁力矩和输入电流成正比，所以滑阀的位移与输入的电流成正比，也就是通过滑阀的流量与输入电流成正比，并且电流的极性决定液流的方向，这样便满足了对电液伺服阀的功能要求。

电液伺服阀力反馈式伺服阀的工作原理

1—永久磁铁；2—衔铁；3—扭轴；4—喷嘴；5—弹簧片；6—过滤器；7—滑阀；8—线圈；9—轭铁第76页/共255页

由于采用了力反馈，力矩马达基本上在零位附近工作，只要求其输出电磁力矩与输入电流成正比（不象位置反馈中要求力矩马达衔铁位移和输入电流成正比），因此线性度易于达到。另外滑阀的位移量在电磁力矩一定的情况下，决定于反馈弹簧的刚度，滑阀位移量便于调节，这给设计带来了方便。

采用了衔铁式力矩马达和喷嘴挡板使伺服阀结构极为紧凑，并且动特性好。但这种伺服阀工艺要求高，造价高，对于油的过滤精度的要求也较高。所以这种伺服阀适用于要求结构紧凑，动特性好的场合。力反馈式伺服阀的工作原理

1—永久磁铁；2—衔铁；3—扭轴；4—喷嘴；5—弹簧片；6—过滤器；7—滑阀；8—线圈；9—轭铁电液伺服阀第77页/共255页位置反馈式伺服阀为二级滑阀式位置反馈伺服阀结构。该类型电液伺服阀由电磁部分、控制滑阀和主滑阀组成。电磁部分是一只力马达，原理如前所述。动圈靠弹簧定位。前置放大器采用滑阀式（一级滑阀）。在平衡位置（零位）时，压力油从P腔进入，分别通过P腔槽，阀套窗口，固定节流孔3、5到达上、下控制窗口，然后再通过主阀（二级阀芯）的回油口回油箱。输入正向信号电流时，动圈向下移动，一级阀芯随之下移。这时，上控制窗口的过流面积减小，下控制窗口的过流面积增大。所以上控制腔压力升高而下控制腔的压力降低，使作用在主阀芯（二级阀芯）两端的液压力失去平衡。主阀芯在这一液压力作用下向下移动。主阀芯下移，使上控制窗口的过流面积逐渐增大，下控制窗口的过流面积逐渐缩小。当主阀芯移动到上、下控制窗口过流面积重新相等的位置时，作用于主阀芯两端的液压力重新平衡。主阀芯就停留在新的平衡位置上，形成一定的开口。这时，压力油由P腔通过主阀芯的工作边到A腔而供给负载。回油则通过B腔，主阀芯的工作边到T腔回油箱。输入信号电流反向时，阀的动作过程与此相反。油流反向为P→B，A→T。

上述工作过程中，动圈的位移量，一级阀芯（先导阀芯）的位移量与主阀芯的位移量均相等。因动圈的位移量与输入信号电流成正比，所以输出的流量和输入信号电流成正比。电液伺服阀

图位置反馈伺服阀结构

1—阀体；2—阀套；3—固定节流口；4—二级阀芯；5—固定节流口；6—一级阀芯；7—线圈；8—下弹簧；9—上弹簧；10—磁钢第78页/共255页

图位置反馈伺服阀结构

1—阀体；2—阀套；3—固定节流口；4—二级阀芯；5—固定节流口；6—一级阀芯；7—线圈；8—下弹簧；9—上弹簧；10—磁钢二级滑阀型位置反馈式伺服阀的方框图如图所示。

该型电液伺服阀具有结构简单，工作可靠，容易维护，可在现场进行调整，对油液清洁度要求不太高。电液伺服阀第79页/共255页

图管道流量（或静压力）的电液伺服系统1—流体管道；2—阀板；3—齿轮、齿条；4—液压缸；5—给定电位器；6—流量传感电位器；7—放大器；8—电液伺服阀电液伺服阀第80页/共255页图所示为一个对管道流量进行连续控制的电液伺服系统。在大口径流体管道1中，阀板2的转角θ变化会产生节流作用而起到调节流量qT的作用。阀板转动由液压缸带动齿轮、齿条来实现。这个系统的输入量是电位器5的给定值xi。对应给定值xi，有一定的电压输给放大器7，放大器将电压信号转换为电流信号加到伺服阀的电磁线圈上，使阀芯相应地产生一定的开口量xv。阀开口xv使液压油进入液压缸上腔，推动液压缸向下移动。液压缸下腔的油液则经伺服阀流回油箱。液压缸的向下移动，使齿轮、齿条带动阀板产生偏转。同时，液压缸活塞杆也带动电位器6的触点下移xp。当xp所对应的电压与xi所对应的电压相等时，两电压之差为零。这时，放大器的输出电流亦为零，伺服阀关闭，液压缸带动的阀板停在相应的qT位置。在控制系统中，将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端，并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用，这种控制形式称之为反馈控制。反馈信号与给定信号符号相反，即总是形成差值，这种反馈称之为负反馈。用负反馈产生的偏差信号进行调节，是反馈控制的基本特征。而对图1所示的实例中，电位器6就是反馈装置，偏差信号就是给定信号电压与反馈信号电压在放大器输入端产生的△u。

电液伺服阀第81页/共255页1、输入电流-输出流量特性

空载时输出流量和输入信号电流之间的关系，常用空载流量特性曲线来表示。由这一曲线可得到该阀的额定值、线性度、滞环、流量增益等特性。

额定电流IR——在这一电流范围内，阀的输出流量与输入信号电流成正比。

额定空载流量——在额定压力与额定电流下阀的空载流量。

线性度——q-I曲线直线性的度量。滞环——主要用来表明信号电流改变方向时，由摩擦力、磁滞等原因使I-q曲线不重合的程度。常以曲线上同一流量下电流最大差值△Imax与阀的额定电流IR之比来表示。

流量增益——qL与I之比值，即q-I曲线的平均斜率。图

空载流量特性曲线IR——额定电流；q0——最大空载流量；tanθ——流量增益电液伺服阀第82页/共255页压力增益特性

在一定供油压力下，在输入电流I和负载压力pL=p1－p2曲线上，比值△pL/△I称为压力增益。当负载流量保持为零时，在零位（中间平衡位置）附近的压力增益称为零位压力增益。零位压力增益与主滑阀的开口形式有关，以零开口形式最高。提高供油压力ps也可提高零位压力增益。但这一特性主要与阀的制造质量有关。提高零位压力增益，对于减小不灵敏区、提高精度有作用，但对稳定性起相反的作用。图是零开口伺服阀的零位压力增益特性曲线。图零位压力增益特性曲线电液伺服阀第83页/共255页负载压力、流量特性

这一特性往往是选用伺服阀的主要依据。图即为负载压力-流量特性曲线图负载压力-流量特性曲线电液伺服阀第84页/共255页对数频率特性它表示电液伺服阀的动态特性。幅频曲线中一3dB时频率为该阀的频宽。其值越大则该阀的工作频率范围越大。对数频率特性也是分析伺服系统动特性以及设计、综合电液伺服系统的依据。即为阀的对数频率特性曲线。电液伺服阀第85页/共255页零飘与零偏

伺服阀由于供油压力的变化和工作油温度的变化而引起的零位（QL=pL=0的几何位置）变化称为零飘。零飘一般用使其恢复位所需加的电流值与额定电流值之比来衡量。这一比值越小越好。另外，由于制造、调整、装配的差别，控制线圈中不加电流时，滑阀不一定位于中位。有时必须加一定的电流才能使其恢复中位（零位）。这一现象称为零偏。零偏以使阀恢复零位所需加之电流值与额定电流值之比来衡量。不灵敏度由于不灵敏区的存在，伺服阀只有在输入信号电流达一定值时才会改变状态。使伺服阀发生状态变化的最小电流与额定电流之比称为不灵敏度。其值愈小愈好。电液伺服阀第86页/共255页电液伺服阀故障的原因及解决方法在生产实践过程中笔者发现，生产玻壳的自动压机冲压油缸在动作过程中出现颤抖现象，并且颤抖动作时强时弱，但基本能够完成全部动作。控制系统采用OILGEAR公司的SC-VP系列的电液伺服阀，其结构为永磁式力反债两级伺服阀．工作压力为9MPa。原因分析根据故障现象为液压油缸动作不良，判断出伺服阀阀芯在动作过程中有颤抖动作，其原因可分为电气和机械两大部分。因电气故障处理较快，为尽快维修，故从电气处理开始。

1、电气部分设为电气部分出现故障，则有可能为控制信号串人交流信号、接线端子松动．连线接触不良。信号发生回路硬件故障，伺服放大回路硬件故障等原因。经检查，可以排除控制信号串入交流信号的可能，接线端子牢固无松动现象，连线无接触不良，更换信号发生回路硬件模块和伺服放大回路硬件模块，故障现象依旧，采用示波器测量，信号正常。至此，基本排除电气部分故障。

电液伺服阀第87页/共255页

2、液压部分分别依次排除以下故障的可能性：油压管道和油缸内有空气、液压油污染、油缸内漏严重、控制油路和主油路压力不稳定。最后认定是伺服阀本体故障。更换伺服阀先导部分．开机正常。经拆开检查，发现力矩马达导磁体与衔铁缝隙中有许多金属屑，相当于减小了衔铁在中位时的每个气隙长度g。根据《液压控制系统》的分析结论：当|x/g|>1／3时(x为衔铁端部偏离中位的位移)，衔铁总是不稳定的。因此认为液压系统中的金属屑被吸附在永磁体上，减小了气隙长度g，破坏了力矩马达原有的静态特性，是本次故障的根本原因。维护措施

针对本次故障原因，以及分析的其他可能，采取了以下措施：

1、定期更换油路滤芯，清理变质油由于此次故障由液压油中金属污染造成，因此定期更换该系统油路中的滤芯，放掉滤油器中存油，可防止污物进入伺服阀，有效的防止故障发生，延长伺服阀的运行时间。力矩马达和先导阀完全浸泡在与回油相通的油液里，位置又处于管道的盲端，所以该处的油液几乎不流动，易氧化变质，因此需定期放掉变质的液压油。

电液伺服阀第88页/共255页

2、定期更换液压油，加强液压油的管理液压油在长期工作中会氧化焦化，并且液压系统中的泵．阀、油缸等的磨损，会产生一些金属屑，它们会降低液压油的品质，造成故障。根据近几年液压油使用周期和油品化验结果，要每10个月更换一次液压油，才能保证设备无计划外停机。

3、定期更换伺服阀此次故障的直接原因为力矩马达被污染导致伺服阀动作不良，因此定期清洗、更换力矩马达和先导阀，防止污染，从而杜绝故障发生。伺服阀的装拆应在尽可能干净的环境中进行，操作时应先去掉接到伺服阀上的电气信号，再卸掉液压系统的压力，然后拆下伺服阀。在干净、相容的商用溶剂中清洗所有的零件，零件可以晾干或用软气管以洁净、干燥的空气吹干。清洗后的伺服阀，可以作为备件轮流使用，降低费用。

4、定期更换检查电气信号，紧固接线端子，防止松动，检查连线，防止接触不良伺服阀是精密制造的机电一体化产品，精度极高，对污染十分敏感，它在维护、清洁及对维护工作重要性的认识等方面的要求非常高，在实际使用中一定要引起足够的重视。电液伺服阀第89页/共255页机器人电机伺服控制伺服电动机测速发电机步进电动机自动控制的基本概念第90页/共255页控制电机教学要求：1.了解交流伺服电动机的结构和工作原理。2.了解直流伺服电动机的结构和工作原理。3.了解交流测速发电机的结构和工作原理。4.了解步进电动机的结构和工作原理。第91页/共255页直流电动机:将直流电能转换为机械能的转动装置。

异步电动机:由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机。

各种控制电机有各自的控制任务：如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。

本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。

控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、步进电机。

对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。第92页/共255页伺服电动机可分为两类：伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。交流伺服电动机直流伺服电动机伺服电动机伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。第93页/共255页交流伺服电动机交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图第94页/共255页放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图1(b)相量图第95页/共255页控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。

若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流和控制绕组电流不同相时，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。第96页/共255页

交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。如何克服“自转”现象呢？n1=60f/p,同步转速S=(n1-n)/n1式中：n1为同步转速,n为电机转速。第97页/共255页正反向旋转磁场的合成转矩特性(正向)(反向)正转转反当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时也同样为电动转矩。第98页/共255页现增大转子电阻，使Sm>1当单相励磁时，在电动机运行范围0<S1<1时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。第99页/共255页加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。

加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),

U1=常数TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服电动机的机械特性如图所示。第100页/共255页在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。应用:第101页/共255页直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。U1为励磁电压，U2为电枢电压MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服电动机的接线图第102页/共255页由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通不变时，U2n。(2)U2=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的n=f(T)曲线(U1=常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO第103页/共255页直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。直流伺服电机输出功率一般为1-600W。应用：第104页/共255页测速发电机

测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。交流测速发电机交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。第105页/共255页••••1转子定子励磁绕组输出绕组异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出绕组+–励磁绕组+–交流测速发电机第106页/共255页工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由U14.44f1N11可知：当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir，它们的大小与1和转子转速n

成正比：转子电流Ir也产生磁通r，r在输出绕组中感应出电压U2，U2的大小与r成正比：第107页/共255页综合上述分析可知：当U1恒定不变时，U2与n成正比，这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出电压U2与n间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。第108页/共255页直流测速发电机直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。他励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–第109页/共255页当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势E，其大小为：发电机的输出电压为：上式中代入：于是第110页/共255页可见，当励磁电压U1保持恒定时（亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速n成正比。这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL1第111页/共255页值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压U2与转速n有一定的线性误差。RL越小、n越大，误差越大。因此，在使用中应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求。测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。第112页/共255页步进电动机原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号

转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。

(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.第113页/共255页以反应式为例说明步进电机的结构和原理通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。3）感应子式(混合式)：开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。步进电机的种类：第114页/共255页下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。定子转子第115页/共255页1.工作原理

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。

现以ABCA的通电顺序，使三相绕组

轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC第116页/共255页1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。第117页/共255页CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A第118页/共255页

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。第119页/共255页CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。第120页/共255页CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'A

B、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。第121页/共255页三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。第122页/共255页AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。第123页/共255页

从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：—步距角Zr

—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数

以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。第124页/共255页实用步进电机的步距角多为3和1.5。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如图所示。图中转子表面有40个齿，齿距角是9；

定子仍是6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。第125页/共255页步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。N:一个周期的运行拍数,即通电状态循环一周需要改变的次数Zr：转子齿数如：Zr=40,N=3时步距角拍数：N=kmk=1单拍制2双拍制m:相数第126页/共255页转速每输入一个脉冲，电机转过即转过整个圆周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）转因此每分钟转过的圆周数，即转速为步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。第127页/共255页

步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用：数控装置步进电动机电位器放大器液压缸机械手电液伺服阀步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的动触电转动，使其偏离中点产生电位差，经放大后控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。第128页/共255页步进电机的矩频特性步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性步进电动机矩频特性特点：下降曲线。以最大负载转矩（启动转矩）Tq为起点，随着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速逐步升高、而带负载能力却下降第129页/共255页步进电动机的驱动步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。第130页/共255页步进驱动器与电机的接线

在步进驱动模块面板的24V和0V端子引入DC24V电源。驱动器的输入信号为CP+、CP-和DIR+、DIR-，参见下图。在外部接成共阳方式：把CP+和DIR+接在一起作为共阳端，由电气箱中PLC的Y0端子输出脉冲信号，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端。

第131页/共255页步进驱动器与电机的接线当CP+和DIR+输入+24V时，在脉冲信号接入端CP-，方向信号接入端DIR-分别接入2K限流电阻（本模块已在内部接入2K电阻）。分别把电机的A相、B相接入驱动器的A相、B相输出端。

第132页/共255页小结

1、步进电动机可以将电脉冲信号转换为角位移或线位移。2、其步距角和转速不受电压波动、负载变化、温度变化等因素的影响3、精度很高且其误差不会积累，常用于要求较高的自动控制系统中。

第133页/共255页自动控制的基本概念

用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列控制过程，称作自动控制。从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。

控制对象控制指令输出

开环控制系统结构简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，仅用于对控制精度要求不高的场合。第134页/共255页控制对象反馈环节误差输出给定反馈•

闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系统。第135页/共255页给定元件放大元件执行元件控制对象检测元件被调量控制指令+UgUdUf–闭环控制系统（反馈控制系统）的各个基本环节如下图所示：系统中各部分的作用如下：

给定元件——把控制指令变成给定值。它与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值，即可改变被调量。第136页/共255页

检测元件——把被调量检测出来，按一定的函数关系反馈到输入端。

比较元件——把反馈信号Uf与给定信号Ug比较以获取误差信号Ud。

放大元件——当误差信号太微弱时，需要用放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度。

执行元件——直接推动控制对象改变被调量。

控制对象——由执行元件推动的各种装置，如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等，相应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。第137页/共255页第五章工业机器人控制

工业机器人的控制主要包括：机器人动作的顺序、应实现的路径与位置、动作时间间隔以及作用于对象物上的作用力等。工业机器人要代替人完成某些操作，通常需要具有如图5-1所示的控制机能。这些机能与工业机器人系统的组成有着对应关系。早期工业机器人的控制是通过示教再现方式进行的，控制装置是由凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、磁鼓、继电器等机电元件构成。而进入80年代的工业机器人则主要使用微型计算机系统综合实现上述装置的功能。本章介绍的工业机器人控制系统都是以计算机控制为前提的。第138页/共255页§5-l工业机器人控制的特点及分类一、工业机器人控制的特点工业机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比，没有根本的不同之处。然而，工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。其控制结构要比一般自动机械的控制复杂得多，与一般的伺服系统或过程控制系统相比，工业机器人控制系统有如下特点：

(1)传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统更着重本体与操作对象的相互关系。无论以多么高的精度控制手臂，若不能央持并操作物体到达目的位置，作为工业机器人来说，那就失去了意义，这种相互关系是首要的。第139页/共255页

(2)工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。根据给定的任务，经常要求解运动学正问题和逆问题，因此，往往要根据需要,选择不同的基准坐标系，并作适当的坐标变换。而且还因工业机器人各关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问题复杂化，所以使工业机器人控制问题也变得复杂。

(3)即使一个简单的工业机器人也至少有