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機器人“大腦”進化論的先進自動控制技術
DANBACH ROBOT
機器人學代表了當今集成度高、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、計算機技術、控制工程學、電子學、生物學等多學科的交叉與融合，體現(xiàn)了當今實用科學技術的先進水平。
般而言，機器人由幾大部分組成，分別為機械部分(般是指通過各關節(jié)相連組成的機械臂)、傳感部分(包括測量位置、速度等的測量裝置)，以及控制部分(對傳感部分傳來的測量信號進行處理并給出相應控制作用)。
作為機器人的“大腦”，機器人控制技術的重要性不言而喻
它主要是通過傳感等部分傳送的信息，采用控制算法，使得機械部分完成目標操作而承擔相應控制功能對應的部分。較終的目的是盡可能減小機器人實際運動軌跡與期望目標的偏差，達到理想的運動精度。
機器人控制器是個計算機控制系統(tǒng)，它以機器人控制技術為理論，同時還要配合機器人的運動學和動力學建模。這時，我們就將個復雜、抽象的物理模型轉換成了相對清晰、具象的數(shù)學模型，經(jīng)建立，那么我們就在定程度上就把控制問題從具體的機器人裝置中分離出來，從而對其進行進步地認識。
隨著機器人相關科學技術的演進，控制算法也逐漸變得豐富起來，產(chǎn)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(tǒng)控制、預測控制等眾多新型控制策略。
但是，在眾多的控制算法中，較為活躍的當屬PID(比例、積分、微分)控制，許多先進的控制策略也都是基于PID控制算法的基礎上發(fā)展出來的。
在生產(chǎn)過程系統(tǒng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史較悠久生命力較強的基本控制方式之。在20世紀40年代以前除在較簡單的情況下可以采用開關控制外，它是唯的控制方式。
20世紀，通信技術、電子技術開始發(fā)展。同時戰(zhàn)爭、工業(yè)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(fā)展。PID的誕生源于人類對于反饋系統(tǒng)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反饋控制系統(tǒng)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。
1932年，奈奎斯特(H·Nyquist)發(fā)表論文，采用圖形的方法來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這套方法，后來也用于自動控制系統(tǒng)的分析與設計。之后，反饋控制原理開始應用于工業(yè)過程。
1934年美國麻省理工的赫曾教創(chuàng)立了伺服控制理論，次提出軌跡跟蹤在反饋控制中的重要性。兩年后，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(yōu)點有三：
①技術成熟，控制效果優(yōu)良;
②適應性強，對于各種過程控制對象，PID算法幾乎都符合要求;
③魯棒性強。
其中，魯棒性(Robustness)指，它反映反饋控制系統(tǒng)具有承受這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器人的某些物理特性產(chǎn)生變化時，PID算法仍能夠將機器人的姿態(tài)控制在合理范圍內。
方面，PID成本低廉，易于操作;另方面，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(tǒng)的性能指標滿足基本要求。
般意義上，PID控制器是線性控制器。PID控制的含義是，將經(jīng)過反饋后得到的誤差信號分別進行比例P、積分I和微分D運算后再疊加得到控制器輸出信號。在實際工作過程中，系統(tǒng)給出給定值(也可稱為期望值)，測量環(huán)節(jié)測量出的實際輸出值反饋給系統(tǒng)，且將與期望值產(chǎn)生偏差e。而PID控制器的作用就是糾正該偏差e。
在具體應用時，我們可具體問題具體分析，根據(jù)實際需要選擇P、PI、PD、PID不同的組合方式。實際操作過程中，機器人的控制系統(tǒng)調試過程的關鍵便在于調節(jié)比例、積分、微分這三個環(huán)節(jié)的系數(shù)。
有了算法，該如何與機器人結合呢?
(輪式管道爬行機器人示意圖)
我們舉個例來說明。我們以輪式機器人為例，為了使得機器人可以敏捷、穩(wěn)定地行走，我們需要對驅動機器人本體的伺服電機進行控制，那么先需要對伺服驅動器本身的PID進行調節(jié)。然后，為了控制效果更，系統(tǒng)還會采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(jié)，這種機器人的控制系統(tǒng)可簡化成如下流程：
機器人“大腦”進化論的先進自動控制技術
那么，這比例、積分、微分這三個環(huán)節(jié)在機器人系統(tǒng)中究竟起到怎樣的作用呢?
三個環(huán)節(jié)各有各的特色，讓我來分別看下：
比例P：它可以反映機器人“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(tǒng)調節(jié)的就越快，但是過大之后就會導致機器人運動不穩(wěn)定;
積分I：它可以反映機器人的“累計”偏差，只要有誤差，積分環(huán)節(jié)就會調節(jié)，較后會調整使得系統(tǒng)無偏差，即使得機器人達到操作人員給出的運動狀態(tài);
微分D：它可以“提前”預見機器人運動偏差的趨勢，在還沒有形成以前，超前地消除誤差;
(PMAC示意圖)
三個環(huán)節(jié)中，積分I環(huán)節(jié)和微分D環(huán)節(jié)不能單獨使用，必須結合比例P環(huán)節(jié)起使用才行。
在該系統(tǒng)中，操控人員通過電腦與機器人進行人機交互，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，伺服電機的測量信號反饋給開放式多軸運動控制器，然后該控制器的PID會對系統(tǒng)進行再次細調，使伺服電機運行得更平穩(wěn)，從而完成控制人員對輪式機器人的各種操作指令。
自計算機進入控制領域以來，用數(shù)字計算機代替模擬計算機調節(jié)器組成控制系統(tǒng)。為了方便計算機計算，PID還可以采用增量式表達。對于機械部件來說，這樣做大有裨益，計算機每次只輸出控制增量即可，這樣做便降低了機器人故障發(fā)生時的影響，并能實現(xiàn)無擾切換，同時PID控制也變得更加靈活了。
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