时间最优理论在机械手控制中的应用.pdf

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1、第6期机械设计与制造2014年6月MachineryDesign&Manufacture137时间最优理论在机械手控制中的应用李慧，孔令云(黄河科技学院，河南郑州450063)摘要：随着机械手在制造工业上越来越广泛的应用，工艺环境对其控制性能也提出了越来越高的要求，包括提高响应快速性和改善跟踪精度等。针对传统PID控制器超调量过大、转换时间过长等缺点，提出了一种基于时间最优理论的控制算法。在能量约束条件下，求取了最优控制律下机械手作动所需要的最小时间表达式。计算机仿真结果表明，相比传统的PID控制方案，所提出的控制方案

2、可实现机械手较快地精确跟踪，因而提高了产品性能，优化了设计流程，同时具有较高的应用价值。关键词：机械手；最优控制；时间最优；PID；精确跟踪中图分类号：TH16；TP241．2文献标识码：A文章编号：1001—3997(2014)06一ol37—03ApplicationofTimeOptimalTheoryinManipulatorControlLIHui，KONGLing-yun(HuangheS&TCollege，He’nanZhengzhou450063，China)Abstract：Withmanipulat

3、orismoreandlnorewidelyusedinthemanufacturingindustry，itscontrolpeformancesalerequiredbyprocessenvironmentwithmoreandITtoreexpectations，whichisincludedincreasingresponsespeedandimprovingtrackingaccuracy．BecausethetraditionalPIDcontrollerpossesseslargeovershoot，lo

4、ngconve~iontimeandothershortcomings，thecontrolalgorithmisproposedbasedonthetimeoptimaltheory．Undertheconditionofenergy"cDnement，theexpressionofrequiredminimumtimeiscomputedwiththeeffectofoptimalcontrollaw．Simulationresultsshowthat，comparedwithtraditionalPIDcontr

5、olscheme，theproposedcontrolschemecanachieveaccuratetrackingofmanipulatorquickTherefore，itenhancesproductpe】咖e，optimizesthedesignprocess，andalsopossessesahighapplwationvalue．KeyWords：Manipulator；OptimalControl；Timeoptimization；PID；AccurateTracking间最优理论的极小值原理，探讨机械

6、手旋转运动的最短时间控制1引言问题。机械手是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，这种机器设备系统有多关节连结并且允许在平面或2问题描述三自由度空间进行运动或使用线性位移移动。机械手的运动由三自由度机械手的运动模式包括三种，即沿纵杆方向的升降电动机驱动移动、张开或关闭一个夹子的动作，并精确地回馈至运动、沿横杆方向的伸缩运动和绕纵杆的旋转运动，如图1所示。可编程逻辑的控制器。在实际应用中，机械手的控制是一个很重要的问题。如何在伸缩能量限制条件下，在最短时间内完成指定动作，直接关系到工作效率的高低。最优控制理

7、论是从20世纪60年代初发展起来的现代控制理论的一个重要分支，在航空、航天和航海等领域获得广泛的应用。从数学上看，确定最优控制问题可以表述为：在运动方程和允许控制范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能图1三自由度机械手运动示意图指标函数求取极大值或极小值。其中，时间最优理论是最优控制Fig．1ThreeDOFManipulatorMovementDiagram理论中的一个重要分支，要求对被控对象提出一种最优控制规旋转运动最为复杂，假设在旋转运动中，机械手夹持一定质律，使系统由任意初态转移到指定状态的时间为最短

8、。利用时量的工件，并且无伸缩和升降运动，如图2所示。来稿日期：2013—12—14基金项目：河南省科技计划项目(122102210002)作者简介：李慧，(1980一)，女，河南郑州人，硕士，讲师，主要研究方向：机械设计及其自动化；孔令云，(1966一)，男，河南淇县人，博士后，主要研究方向：控制工程及其自动化138李慧等：时间最