基于S7200PLC的ABU参赛机器人控制系统设计

　　基于S7200PLC的ABU参赛机器人控制系统设计
　　摘要：根据ABU参赛机器人的比赛要求，设计出了一套以可编程序控制器（S7200PLC）为控制核心的机器人自动控制系统。介绍了系统主要硬件配置、系统控制方法、S7200程序结构。该系统控制算法采用PID算法，且根据现场比赛要求实现了从手动到自动的无干扰切换功能。经过试运行和实战演习表明，基于PID控制规律的机器人PLC控制系统运行稳定可靠，操作方便，易于维护。
　　关键词：PLC；机器人；PIDDesignoftheABURobotControlSystemBasedonS7200PLC
　　Abstract：AnautomaticcontrolsystemofABURobotbasedonS7200PLCisdesignedonthebasisofABURobotmatchrequirement。Themainhardwareofthesystem，theprincipleandmethodofcontrolandtheS7200PLCprogramarchitectureareintroducedinthispaper。PIDalgorithmisadoptedinthesystem，andthefunctionofnondisturbanceswitchfrommanualmodetoautomaticmodeisrealizedaccordingtofieldmatchrequirement。ThetestrunandtryrunindicatesthatRobotPLCcontrolsystembasedonPIDcontrolrulehasfeaturesofstablerunning，convenientoperationandlittlemaintenance。
　　Keywords：PLC；robot；PID
　　1引言
　　亚洲太平洋广播联盟ABU（AsiaPacificBroadcastingUnion）每年一次的亚太地区大学生机器人比赛受到了亚洲各国的重视，每年在亚广联比赛前我国都举行一次国内选拔比赛，赛题与亚广联同步。2005年比赛的题目是登长城、点火炬。我们根据本次大赛的主题经过潜心研究，开发和研制了一套以可编程序控制器（PLC）为主控部件的机器人自动控制系统。
　　2系统硬件设计
　　2。1系统总体结构
　　机器人控制系统部分主要由SIEMENSS7200PLC、
　　操作面板、传感器组、运控器组、继电器组、电磁铁等组成。控制系统总体结构如图1所示。
　　（1）可编程序控制器（
　　2）操作面板
　　操作面板作为人机界面，通过使用控制按钮和各种类型的开关来自定义系统的操作方法，PLC实现自动控制，按钮实现手动控制，模式转换开关实现控制模式转换，从而达到系统过程要求的最佳效果。操作面板通过电缆线与S7200PLC相连，组成控制网络。
　　（3）传感器组（
　　4）运控器组2。2系统工作原理
　　工作时，机器人从规定区域出发，PLC利用由6个单色传感器检测的信号状态控制运控器A、B，分别驱动电机A、B，当机器人达到预定的位置时，停止电机A、B；同时，PLC输出信号闭合继电器来启动提升机构的电机D，到一定位置时触动微动开关，PLC接收到微动开关的控制信号停止电机D；同时，PLC控制运控器C驱动电机C，并且根据2个真彩色传感器的信号状态作出相应的命令。
　　3系统控制方法
　　机器人控制系统中循线行走子系统是一个滞后的惯性系统，由于影响因素多，很难建立一个确定的数学模型。因此对电机A、B的速度调节主要采用了PID算法和前反馈控制算法。下面说明速度调节控制的实现方法。速度调节控制是机器人控制中极其重要的一项功能，直接影响机器人运行的准确性。本系统采用运控器自反馈控制（此功能自带）和电机转速通过模拟输入模块反馈到PLC的闭环控制方式，其调节原理如图2所示。主信号为设定速度值，电机转速的变化作为前馈信号自动补偿单色传感器所受干扰信号的影响。
　　控制算法采用改进的PID控制算法：设KC为比例系数，TS为采样周期，TI为积分时间，TD为微分时间，e（k）为偏差信号，则PID控制器的输出为：
　　u（k）KC｛e（k）e（i）〔e（k）e（k
　　1）〕｝
　　（1）
　　！
　　TIi0TS
　　k1！
　　TIi0TS式
　　（3）中，AKC（1），BKC（1），CKC
　　考虑到偏差e（k）较大时易引起系统稳定性下降，故采取积分分离算法，当e（k）gt；M时，取消积分作用，即令
　　TI，则式
　　（3）中，AKC（1），BKC（1），CKC。
　　u（k）u（k
　　1）u（k）
　　（4）
　　只要知道上一时刻的输出量，再计算出增量，就可以得出本时刻的控制量。
　　4系统程序设计
　　系统控制程序采用梯形图程序设计。由于程序复杂，按功能将程序分为多个模块主要包括循线程序、数线程序、颜色识别程序、提升程序、转弯程序、电机控制与连锁程序、参数设定程序、速度调节程序、拨盘程序等。在计算机上完成梯形图的编制，全部程序共4K字节，通过RS232422转接电缆送到PLC。主程序框图如图3所示
　　4。1循线程序
　　循线程序由参数设定程序、速度调节程序、电机控制与连锁程序、循线程序、转弯程序组
　　成。主要实现基本的循线行走功能，并能够准确及时地反馈循线信号，使PLC通过PID调节对电机A和电机B实行实时驱动控制。
　　4。2数线程序
　　数线程序由参数设定程序、数线程序、转弯程序组成。能够准确及时地反馈数线信号，使PLC能对电机A和电机B及时发出转弯或停止命令，完成基本的定位功能。
　　4。3颜色识别程序
　　颜色识别程序由参数设定程序、拨盘程序、颜色识别程序组成。主要实现重要的颜色识别功能，真彩色传感器检测主机构的颜色，并将检测到的信号传给PLC，然后由PLC根据程序发出命令，来控制电机C的运行或停止。
　　4。4提升程序
　　提升程序由参数设定程序、提升程序组成。主要是根据设定的参数和微动开关的信号对电机D进行控制。
　　5结束语
　　选用PLC控制系统综合了几个方面的考虑，PLC与单片机相比驱动能力强，电气结构简单且稳定性高，工业控制计算机价格和维修费用都比PLC要高，选用PLC控制系统，不仅能够完全实现所需功能，又充分利用了系统资源，降低了机器人成本。系统采用西门子的S7200系列的PLC控制ABU参赛机器人，使其按编制的程序自动完成比赛的各项任务，经过实际试运行和实战演习表明各项功能均已满足设，计要求，而且控制系统的可靠性高、故障少，完全符合比赛的要求。
　　〔参考文献〕
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　　大学出版社，2004。
　　〔2〕张铁，谢存禧。机器人学。广东：华南理工大学出版社，2004。
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　　〔4〕西门子公司。SiemenssimaticS7200可编程序控制器系统手册
　　〔X〕。北京：西门子公司，2004。（编辑黄荻）