第18卷第7期
系统仿真学报©V ol. 18 No. 7 2006年7月Journal of System Simulation July, 2006
基于MATLAB/Simulink机器人鲁棒自适应控制系统仿真研究
高道祥，薛定宇
（东北大学教育部暨辽宁省流程工业综合自动化重点实验室，沈阳 110004）
摘要：介绍了一种在MATLAB/Simulink环境下进行机器人鲁棒自适应控制系统仿真的方法，利
用Matlab软件强大的数值运算功能，将系统模型用Matlab语言编写成M-Function（或S-Function）
文件，通过User-Defined-Function模块嵌入到Simulink仿真环境中，可以充分发挥Simulink模块
实时的动态仿真功能，简化仿真模型的设计，修改和调整。基于M-Function建立机器人系统模型
的方法可以推广到其他复杂控制系统的建模，SimMechanics在建立多自由度连杆机器人受控对象
仿真模型时，简单可靠。
关键词：机器人；Matlab/Simulink；SimMechanics；仿真；鲁棒自适应控制
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X(2006) 07-2022-04
Simulation Research of Robust Adaptive Control System
for Robotic Manipulators Based on MATLAB/Simulink
GAO Dao-xiang, XUE Ding-yü
(Key Laboratory of Process Industry Automation, Ministry of Education, Northeast University, Shenyang 110004, China) Abstract: A simulation method of robust adaptive control was proposed for the robotic manipulator system. The method took the advantage of the powerful computing function of Matlab to programme M-function (or S-Function) for the system model by Matlab language and embedded it to the Simulink by User-Defined-Function module. The real time dynamic simulating function of Simulink would be exerted adequately and the design, modification and adjust of the system model could be greatly simplified. The method of constructing manipulator control system model based on M-Function could be generalized to the other complicated control system and SimMechanics would make the n-links manipulator model conveniently and credibly.
Key words: robotic manipulator; Matlab/Simulink; SimMechanics; simulation; robust adaptive control
引言
一个新的控制算法在付诸使用之前，无论从经济原因还是技术角度，都需要经过仿真阶段来测试控制系统的性能和缺陷。尤其对复杂系统控制的研究，虽然仿真并不能说明控制算法是绝对合理与可靠的，但随着仿真技术的发展，仿真的确是系统设计必不可少的中间步骤。
Matlab/Simulink以其强大的数学运算能力，方便实用的绘图功能及语言的高度集成性成为系统仿真和自动控制领域首选的计算机辅助设计工具。Simulink可以将可视化的模块很方便地组成系统模型的仿真框图，对于使用普通Simulink模块不易搭建的复杂控制系统，用Matlab语言编写M-Function或S-Function文件，通过User-Defined-Function 模块嵌入到Simulink仿真环境中，大大扩充了Simulink的功能。对于机器人这类的复杂控制系统，通过Simulink可以很方便的建立其仿真模型。
机器人控制系统仿真模型中不易采用普通Simulink模块搭建的部分是控制器模型和受控对象—机器人模型，可以采用Matlab语言编写M-Function实现控制器和机器人模型。
收稿日期：2005-05-09 修回日期：2005-08-02
作者简介：高道祥（1972-），男，山东蓬莱人，博士生，研究方向为机器人鲁棒自适应控制。薛定宇（1963-），男，辽宁沈阳人，教授，博导，研究方向为控制系统CAD，机器人控制。另外，由于SimMechanics提供了机构的仿真模块集，对于n自由度的连杆机器人，也可以采用SimMechanics模块进行组建。
1 n连杆机器人的仿真模型
如果不考虑摩擦力等外界干扰的作用，机器人的动力学方程可由下式描述，
τ=
+
+)
(
)
,
(
)
(q
G
q
q
q
C
q
q
M
(1) 式中，q
q
q
,
,是1
×
n向量，表示各个关节的位置，速度，加速度。)
(q
M是n
n×阶对称正定的惯量矩阵。q
q
q
C
)
,
(是1
×
n向量，表示离心力和哥氏力项。)
(q
G是1
×
n向量，表示重力项。τ表示外界输入的控制力矩。由式(1)可以看出，机器人的动力学模型是一个高度复杂，强耦合的非线性时变方程，尤其模型的复杂程度随着自由度的增加呈指数上升趋势。因此，在用Matlab/Simulink进行机器人控制系统的仿真研究时，需要寻求一种简单可靠却行之有效的方法建立机器人控制系统仿真模型。
采用M-Function定制的Simulink模块与普通模块一样具有输入和输出向量，控制器与机器人受控对象的仿真模型函数可用如下关系式描述，
)
,
,
,
,
(0q
q
q
q
q
f d
d
d
=
τ(2)
)
,
,
(1τ
q
q
f
q
=(3)
