机器人控制工程 教案 第一章 机器人控制系统概论

PAGEPAGE10单元第一章机器人控制系统概论§1.0课程导学（0.5学时）教学目的和要求了解机器人控制工程课程的教学内容及课程的教学目标重点难点重点：机器人控制工程的教学内容及课程的教学目标难点：课程的教学目标考核方法过程考核教学进程(教学内容教学方法辅助手段师生互动时间分配板书设计)MATLAB4．数字控制系统2.课程的主要特点3.教学方法4.考核及成绩评定在考试方式上采用全过程综合考核评价体系，由过程考核成（10%（10（10%160）5.课程教学目标考自动化与环保的关系。PID4.MATLAB学习，沟通、竞争与团队合作能力。6.参考教材：（一）可选教材1、王海英.机器人控制工程基础.北京：高等教育出版社，20232、王万良.《自动控制原理》(第3版)，高等教育出版社，20203、KatsuhikoOgata（）.，2015（二）参考资料1、学习通-哈尔滨理工大学现代控制工程教学设计：课堂讲授，给出思考题思考题：1机器人控制工程课有哪些前导课程？2你如何实现课程要求的教学目标？作业题:什么是控制系统的MATLAB仿真与设计？单元第一章机器人控制系统概论§1.1自动控制系统（1.1-1.2共0.5学时）教学目的和要求了解自动控制、自动控制理论的研究内容和自动控制技术发展过程中一些具有代表性的人物重点难点重点：自动控制的概念，自动控制理论的研究内容，古典控制理论的研究方法与内容难点：古典控制理论的研究方法考核方法过程考核1.19451.经典控制理论（20世纪40—60年代）经典控制理论是以拉氏变换为数学工具，传递函数为数学模型，分析与设计方法采用频率法、根轨迹法,稳定判据有代数判据和几何判据。解决单输入-单输出(SISO)，线性、定常系统的分析与设计问题。2.现代控制理论（20世纪60年代中期成熟）（MM、线性或非线性、定常或时变系（Kalman）3.智能控制理论(20世纪70年代后期兴起)控制理论向广度和深度发展，出现的大系统是指规模庞大、802.基本控制方式1．开环控制开环控制是指控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没思政：控制领域杰教学进程(教学内容教学方法辅助手段出校友，不断学习与探索，理论与实师生互动时间分配板书设计)践不断提升量产生影响，因此不需要对输出量进行测量。1-1-3图1-1-3开环控制系统的精度主要取决于构成系统元器件的精度以及【例题1-1】1-1-4图1-1-4移动机器人驱动电机调速开环控制系统2．闭环控制（闭环控制采用负反馈利用偏差来减小误差的控制过程，以实现1-1-5图1-1-5闭环系统方框图【例题1-2】1-1-6图1-1-63.复合控制1-1-7图1-1-7复合控制系统方框图4.自动控制系统的分类自动控制系统的种类繁多，应用范围很广。从不同的角度出发，可以有不同的分类方法。1．开环控制系统与闭环控制系统2．线性控制系统与非线性控制系统3．定常系统与时变系统4．连续时间系统与离散时间系统5．恒值控制系统、伺服系统与程序控制系统5.1.控制系统的组成(1)测量元件(2)比较元件(3)执行元件(4)校正元件2.控制系统性能的基本要求进展。教学设计：课堂讲授，给出思考题思考题：1蒸汽机的发明人已不可考，为什么瓦特被人们所熟记？2了解5个以上自动控制技术的发展过程中具有代表性的人物预 习:反控原对控系的本求单元第一章机器人控制系统概论§1.2机器人技术（1.1-1.2共0.5学时）教学目的和要求了解机器人发展史，智能机器人的发展以及机器人的分类重点难点重点：机器人发展史，智能机器人的发展以及机器人的分类难点：无考核方法过程考核教学进程(教学内容教学方法辅助手段师生互动时间分配板书设计)1.机器人发展史106~前71年）（770467（2520年151893年：加拿大摩尔设计了能行走的蒸汽机器人"安德罗丁"。1920年：卡雷尔·凯培克在他的科幻情节剧《罗萨姆的万能机器人》中首次提出了“机器人”（Robot）这个名词。19681979UnimationPUMACPU1986年：中国开始涉足机器人领域的研究和应用。2000年：中国国防科学技术大学成功研制出中国第一个仿人形机器人—"先行者"。20世纪初：现代机器人开始诞生，分为三代：第一代是可编程机器人，从20世纪60年代开始广泛应用于工业界。第二代是感知机器人，具有不同程度的“感知”能力。第三代是智能机器人，具备识别、推理、规划和学习等智能机制，尚处于发展试验阶段。2.智能机器人20153.机器人分类根据机器人的应用领域，机器人可以分为工业机器人、服务机器人、特种机器人等。2.以运动方式进行分类根据机器人的运动方式，机器人可分为轮式机器人、足腿式机器人、履带式机器人、蠕动式机器人、浮游式机器人、潜游式机器人、飞行式机器人等。3.以使用空间进行分类根据机器人的使用空间，机器人可分为地面／地下机器人、水面／水下机器人、空中机器人、空间机器人等。4．以编程和控制方式进行分类根据机器人的编程和控制方式，机器人可分为编程型机器人、主从机器人和协作机器人。思考题：智能时代的机器人涵盖了各个领域的应用，你认为未来哪个领域的机器人发展潜力最大？为什么？作业题：1.预 习:控系仿术单元第一章机器人控制系统概论§1.3控制系统仿真技术（1.3-1.4共1学时）教学目的和要求了解控制系统仿真技术，MATLAB仿真步骤以及MATLAB工具箱的使用重点难点重点：系统仿真技术，MATLAB仿真步骤以及MATLAB工具箱的使用难点：MATLAB仿真步骤和MATLAB工具箱的使用考核方法过程考核教学进程(教学内容教学方法辅助手段师生互动时间分配板书设计)1.仿真技术的发展史仿真是一种用相似的模型或设备来模仿某个环境或系统行为1．在硬件方面，基于多CPU处理系统的并行仿真技术，可有效提高系统仿真的速度，从而使得仿真的“实时性”得到加强。2．由于网络技术的不断完善与提高，在单台计算机很难完成的工种资源，甚至集合国际领域内的专家共同完成世界难题的研究工作。3．在算法方面随着科学研究和大量实时仿真需求的增长，仿真算法正向快速、并行化方向发展。4．FORTRAN1967CSMP、ACSL、SIMNONMATLAB2.MATLABMATLABCleveMoler1980MATLABFortranMATLABMATLABMATLABMATLABMATLABMATLABSimulinkMATLABAPIMATLAB3.控制系统MATLAB仿真步骤MATLAB1-3-4(1)(3)建立控制系统的MATLAB仿真模型(4)编制MATLAB程序并调试(5)控制系统指标验证(6)进行SIMULINK仿真实验图1-3-4MATLAB进行建模仿真的流程4.MATLABMATLAB（LTI（SSODeignT理论，对连续控制系统和离散控制系统进行仿真分析。最后针对问题得出结论。LTIViewerLTIViewerMATLABltiviewLTIViewerLTIViewer。在利用LTIViewer进行系统分析时，必须将控制系统的数学模型转换为如下对象模型：tf【调用格式】sys=tf(num,den)【说明】建立传递函数模型的对象模型。zpk【调用格式】sys=zpk(z,p,k)【说明】建立零极点增益模型的对象模型。LTIViewer1-4-1D。 图1-4-1曲线显示菜单 图1-4-2性能指标显示菜单，用鼠标可拖动标记点沿所在曲线运动，与之1-4-2对选择标记点及对应的数据显示框属性的设置：超调量（PeakResposettingTmeRiseTie）SteadyState)。【例题1-3】典型二阶系统的传递函数为应用LTIViewer对系统进行分析。2.—SISODesignToolSISODesignToolSISOSISOBodeSISOsisotoolSISODesignTool口。SISODesignToolE。【例题1-4】设单位负反馈系统被控对象的传递函数为应用SISODesignTool设计节器使统能指为𝑡𝑠<2.5𝑠，𝛿𝑝<10% 。教学设计：课堂讲授作业题：1-14，1-15预习：机器人工具箱单元第一章机器人控制系统概论§1.4机器人工具箱（1.3-1.4共1学时）教学目的和要求了解机器人工具箱在机械臂机器人以及移动机器人中的仿真重点难点重点：机器人工具箱的使用难点：在机械臂机器人以及移动机器人中的仿真考核方法过程考核教学进程(教学内容教学方法辅助手段师生互动时间分配板书设计)1.机器人工具箱的简介机器人工具箱由可免费获取，并在相对应的MATLAB版本下安装和使用。机器人工具箱中包含了许多有关机器人建模、仿真和控制的函数和类，对于研究机器人系统具有非常强的实用性。2.机械臂式机器人LinkLink类包含与机器人连杆机构相关的所有信息，例如运动学参数，刚体惯性参数，电机和传动参数等。SerialLinkS