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[Apple]嫌機械人不夠聰明?給它的大腦安利下」腦白金「吧!


[Apple]嫌機械人不夠聰明?給它的大腦安利下」腦白金「吧! 簡版






[Apple]嫌機械人不夠聰明?給它的大腦安利下」腦白金「吧!

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機械人學代表了當今整合度高、具有代表性的高技術領域,它綜合了多門學科。其中包括機械工程學、電腦技術、控制工程學、電子學、生物學等多學科的交叉與融合,體現了當今實用科學技術的先進水平。

一般而言,機械人由幾大部分組成,分別為機械部分(一般是指通過各關節相連組成的機械臂)、感測部分(包括測量位置、速度等的測量裝置),以及控制部分(對感測部分傳來的測量訊號進行處理並給出相應控制作用)。

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作為機械人的「大腦」,機械人控制技術的重要性不言而喻

[b]它主要是通過感測等部分傳送的訊息,採用控制演算法,使得機械部分完成目標作業而承擔相應控制功能對應的部分。最終的目的是儘可能減少機械人實際運動軌跡與期望目標的偏差,達到理想的運動精度。

[/b]機械人控制器是一個電腦控制系統,它以機械人控制技術為理論,同時還要配合機械人的運動學和動力學塑模。這時,我們就將一個複雜、抽象的物理模型轉換成了相對清晰、具象的數學模型,一經建立,那麼我們就在一定程度上就把控制問題從具體的機械人裝置中分離出來,從而對其進行進一步地認識。

隨?機械人相關科學技術的演進,控制演算法也逐漸變得豐富起來,產生了諸如自適應控制、自校正控制、魯棒控制、變結構控制、非線性系統控制、預測控制等眾多新型控制規則。

[b]但是,在眾多優秀的控制演算法中,最為活躍的當屬PID(比例、積分、微分)控制,許多先進的控制規則也都是基於PID控制演算法的基礎上發展出來的。

[/b]在生產程序系統控制的發展歷程中,PID 控制是歷史最悠久生命力最強的基本控制方式之一。在20 世紀40 年代以前除在最簡單的情況下可以採用開關控制外,它是唯一的控制方式。

20世紀,通信技術、電子技術開始發展。同時戰爭、工業也成為了推動力,自動控制技術與自動控制理論開始快速發展。PID的誕生源於人類對於回饋系統的相關研究。

20世紀20年代,美國貝爾電話實驗室的科學家本逐步建立了回饋控制系統的頻率特性分析方法。貝爾實驗室具有通信背景的工程師們往往很熟悉頻域方法。

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(美國貝爾電話實驗室外景)

1932年,奈奎斯特(H·Nyquist)發表論文,採用圖形的方法來判斷系統的穩定性。這套方法,後來也用於自動控制系統的分析與設計。之後,回饋控制原理開始應用於工業程序。

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(美國物理學家奈奎斯特)

1934年美國麻省理工的赫曾教創立了伺服控制理論,首次提出軌跡追蹤在回饋控制中的重要性。兩年後,英國的考倫德(A·Callender)和斯蒂文森(A·Stevenson)等人給出了 PID控制器的方法。

簡單說來,PID 控制的優點有三:

? ?技術成熟,控制效果優良;

?? 適應性強,對於各種程序控制對象,PID演算法幾乎都符合要求;

?? 魯棒性強。



其中,魯棒性(Robustness)指,它反映回饋控制系統具有承受這一類不確定性影響的能力。簡單來說,當魯棒性較好就是指當機械人的某些物理特性產生變化時,PID演算法仍能夠將機械人的姿態控制在合理範圍內。

一方面,PID成本低廉,易於作業;

另一方面,絕大部分控制對象可以直接使用PID控制,而不必深究其模型機理,因其較強的魯棒性可保證系統的效能指標滿足基本要求。

一般意義上,PID控制器是線性控制器。PID控制的含義是,將經過回饋後得到的誤差訊號分別進行比例P、積分I和微分D運算後再疊加得到控制器輸出訊號。在實際工作程序中,系統給出給定值(也可稱為期望值),測量環節測量出的實際輸出值回饋給系統,且將與期望值產生偏差e。而PID控制器的作用就是糾正該偏差e,下面就是PID的示意圖。

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在具體應用時,我們可具體問題具體分析,根據實際需要選擇P、PI、PD、PID不同的組合方式。實際作業程序中,機械人的控制系統除錯程序的關鍵便在於調節比例、積分、微分這三個環節的係數。

有了演算法,該如何與機械人結合呢?

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(輪式管道爬行機械人示意圖)

我們舉個例來說明。我們以輪式機械人為例,為了使得機械人可以敏捷、穩定地行走,我們需要對驅動機械人本體的伺服電機進行控制,那麼首先需要對伺服磁碟機本身的PID進行調節。然後,為了控制效果更精確,系統還會採用開放式多軸運動控制器(PMAC),而該控制卡也可以進行PID調節,這種機械人的控制系統可簡化成如下流程:

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那麼,這比例、積分、微分這三個環節在機械人系統中究竟起到怎樣的作用呢?

個環節各有各的特色,讓我來分別看一下:

比例P:它可以反映機械人[b]「當前」的行進速度與控制人員給定值之間的偏差,KP越大,系統調節的就越快,但是過大之後就會導致機械人運動不穩定;

積分I:它可以反映機械人的「累計」偏差,只要有誤差,積分環節就會調節,最後會調整使得系統無偏差,即使得機械人達到作業人員給出的運動狀態;

微分D:它可以「提前」預見機械人運動偏差的趨勢,在還沒有形成以前,超前地消除誤差;

[/b]

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(PMAC示意圖)

三個環節中,積分I環節和微分D環節不能單獨使用,必須結合比例P環節一起使用才行。

在該系統中,操控人員通過電腦與機械人進行人機互動,給出相應的控制指令(比如停止、前進等),伺服驅動的PID對伺服電機進行初步控制,伺服電機的測量訊號回饋給開放式多軸運動控制器,然後該控制器的PID會對系統進行再次細調,使伺服電機執行得更平穩,從而完成控制人員對輪式機械人的各種作業指令。

自電腦進入控制領域以來,用數位電腦代替類比電腦調節器組成控制系統。為了方便電腦計算,PID還可以採用增量式表達。對於機械部件來說,這樣做大有裨益,電腦每次只輸出控制增量即可,這樣做便降低了機械人故障發生時的影響,並能實作無擾切換,同時PID控制也變得更加靈活了。

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原文站台: 雷鋒網

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