焊缝跟踪系统学习控制器设计

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焊缝跟踪系统学习控制器设计

DesigningofLearningControllerforWeldingSeamTrackingSystem

南京理工大学动力学院　　姚仲舒　王宏飞　杨成梧

　　[摘要]　论述了迭代学习控制方法的基本原理,

给出了迭代学习控制器的软、硬件系统的设计方法,证明了迭代学习控制器用于机器人焊缝跟踪系统的试验结果是成功的。

关键词:焊缝跟踪　迭代学习控制　反馈控制　机器人

[ABSTRACT]　Thebasicprincipleofiterativelearningcontrolisintroduced.Thedesigningmethodofthehardwareandsoftwaresystemforiterativelearningcontrollerisgiven.Andthetestresultsshowthattheit2erativelearningcontrollerforroboticweldingseamtrackingsystemissuccessfulinuse.

Keywords:Weldingseamtracking　Iterativelearningcontrol　Feedbackcontrol　Robot

随着焊接技术水平的不断提高,对许多焊接构件的焊接精度和速度提出了越来越高的要求,一般工人已难以胜任这一工作;此外,焊接过程中产生的火花及烟雾等,对人体造成危害,因而,焊接过程的完全自动化已成为一个急需解决的问题。将机器人应用于焊接领域是解决这一问题的重要方法,然而,由于机器人本质上的强耦合、非线性等特性,其精确的数学模型难以建立,用传统的控制理论与方法难以实现对机器人操作手运动轨迹(焊缝轨迹)的高精度和高速度要求。近年来,迭代学习控制理论[1～3]的发展为解决复杂系统的控制,尤其是对机器人的控制提供了一种有效的方法。该理论在已知受控对象动力学特性不精确的情况下具有综合结构简单、在线计算量小等优点,因而能实现机械手的实时控制,是一种基于品质的学习控制方法。

本课题针对焊接机器人的特点,设计了一个使闭环系统稳定的反馈控制器和改善焊接目标轨迹跟踪性能的前馈迭代学习控制器。试验结果表明了该控制算法对焊缝轨迹跟踪的有效性。

踪,设计的控制器由两部分组成:反馈控制器和前馈迭代学习控制器。控制原理如图1所示

。

图1　系统控制原理图

Fig.1　Principlediagramofsystemcontrol其中,xk表示焊接的实际轨迹,xd为目标轨迹,

f

ubk表示反馈控制部分,uk为前馈控制部分,uk为第k

次控制部分,ek为跟踪误差,k代表第k次焊接操作。1.1　反馈控制

反馈控制采用P控制,主要使焊接机器人能稳定工作以及跟踪误差ek(t)一致有界。根据文献[2]可知,如果采用高增益反馈控制,则可将跟踪误差限定在指定的水平内,然而,在实际应用中,由于执行器的物理限制,反馈控制增益不可能任意大,因而不能实现对焊缝轨迹的完全跟踪,为此,再设计一个前馈迭代学习控制器来消除这种跟踪偏差,以实现对焊缝轨迹的完全跟踪。

设反馈增益为Rb,根据图1,则第k次焊接操作时的反馈控制为

b

uk(t)=Rb〔xd(t)-xk(t)〕=Rbek(t),式中:t∈[0,tf],表示机器人实行一次焊接操作时所需要的时间,如果对焊接机器人的数学模型有一定的先验知识,反馈增益Rb可以根据其模型来设定;实际焊接时,模型往往是未知的,只能通过试验来调整。由于采用的是一种P控制,需要调整的参数极少,并且设计反馈控制的主要目的是使闭环系统稳定及抑制在焊接过程中的一些不确定干扰,而且这种抑制作用是反馈控制本身所固有的,对反馈控制器的设计要求不高,因而反馈增益Rb的整定并不困难。1.2　前馈学习控制

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1　系统控制方案

焊缝跟踪的主要目的是要消除焊接的实际轨迹和

目标轨迹之间的偏差。为了实现对焊缝轨迹的完全跟航空制造技术

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