下载文档原格式
机电系统的动力与运动的计算机仿真-----------基于二自由度两连杆平面机器人系统仿真马国锋梁应海周凯（武汉理工大学机电工程学院机械工程及自动化系）摘要：平面两连杆机器人（机械臂）是一种简单的两自由度的机械装置，其具有一定的复杂动力特性，对其的简单研究能够对机电系统和机器人有更好的学习了解和认识。
利用matlab仿真的快捷，简洁，以及可视化操作可以使其研究更方便，以及利用PID调节，使系统具有更好的时间响应性能。
关键词：matlab仿真PID控制调节平面机器人伺服直流电动机Abstract:The Planar two-link robot (Robot Arm) is a simple mechanical device of two degreesof freedom, it has complex dynamic characteristics. We can gain better learning and understandingfor Mechanical and Electrical systems and Robots only through studying it simply! Using thesuperior performance of MATLAB ,we can make the research more convenient ,besides ,we alsocan make the system have better performance in Time Response through the PID correction.0、引言随着科学技术的发展,利用计算机对控制系统进行仿真和分析,是研究控制系统的重要方法。
对控制系统进行仿真,首先应该建立系统模型,然后根据系统模型进行仿真,并充分的利用计算机作为工具进行数值求解。
Matlab是目前应用最为广泛的仿真语言之一。
基于Matlab 的两自由度振动系统模拟实验报告一、 实验目的1、 深入了解两自由度振动系统的模态正交性。
2. 掌握Matlab 编程基本语言和两自由度系统的响应模态求解方法。
二、 实验原理如图1所示的系统，设0=t 时，两个圆盘恰处于平衡位置, 设,221I I =2t t k k =。
图1 振动系统模型图设，，21θθ为21I I ，的转角，则21θθ，描述了系统的运动情况。
故该系统的自由度为两个。
当不考虑图示系统的阻尼和外界激励时，根据牛顿运动定律,其运动的微分方程为：[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧00][2121θθθθK M(1)其中[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=222100200I I I I M ，]⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=2222222212t t t t t t t t t k k k k k k k k k K 由[][]{}0)(=-u M ωK 2，可得频率方程如下：0002-22222222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--I I k k k k t t t t ω (2)求解式(2)得2222122)22(22-2I k I k t t -==ω, 22222)22(I k t +=ω (3)系统振型为{}[]T 211=φ，{}[]T 212-=φ，其振型图如下：图2 系统振型图令{}{}⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==Φ2211],[][21φφ, 则 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ΦΦ10014][][][2I M T, ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=ΦΦ22212004][][][ωωI K T (4)式(4)为振动系统的模态正交特性。
当考虑图1系统的外界激励时，即{}t F F F ωsin 21⎭⎬⎫⎩⎨⎧=时,其运动的微分方程为： []t F F K M ωθθθθsin ][212121⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧ (5)为了求出方程(5)的稳态解,可令⎭⎬⎫⎩⎨⎧Φ=⎭⎬⎫⎩⎨⎧2121][q q θθ,将⎭⎬⎫⎩⎨⎧Φ=⎭⎬⎫⎩⎨⎧2121][q q θθ代入式(5),同时方程两边同乘以T ][Φ,并利用振动系统的模态正交特性,有t I F F I F F q q qq ωωωsin )4/()2()4/()2(0022122121222121⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎭⎬⎫⎩⎨⎧(6)利用式(6)很容易求得t I F F I F F q q Tωωωωωsin ))4/()2(,)4/()2((22222122122121---+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧, 再由⎭⎬⎫⎩⎨⎧Φ=⎭⎬⎫⎩⎨⎧2121][q q θθ求得⎭⎬⎫⎩⎨⎧21θθ。
任务书设计题目：基于MATLAB的机器人柔性手臂控制系统设计与仿真1．设计的主要任务及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，在深入了解反馈控制系统工作原理的基础上，掌握机械系统建模、分析及校正环节设计的基本过程；初步掌握运用MATLAB/Simulink相关模块进行控制系统设计与仿真的方法，为学生在毕业后从事机械控制系统设计工作打好基础。
2．设计的基本要求和内容（1）根据已有的机器人柔性手臂系统相关资料，对其结构特点及工作原理进行分析；（2）建立柔性手臂系统的数学模型；（3）应用极点配置对系统进行状态反馈设计；（4）运用MATLAB/SIMULINK对系统进行仿真计算；（5）通过动态仿真设计优化系统参数，对反馈系数K进行确定；3．主要参考文献[1] 刘白燕等编,机电系统动态仿真-基于MATLAB/SIMULINK[M].北京：机械工业出版社,2005.7[2] 王积伟，吴振顺等著，控制工程基础[M].北京：高等教育出版社2001.8[3] （日）末松良一. 机械控制入门[M].北京：科学出版社，2000[4] 徐昕等著. MATLAB工具箱应用指南.北京:电子工业出版社,2000 4．进度安排基于MATLAB的机器人柔性手臂控制系统设计与仿真摘要：机械臂未来的发展趋势是高速、高精度和轻型化、操作灵活的柔性机械臂。
柔性机械臂系统的动力学特点是大范围刚体运动的同时，伴随着柔性臂杆的小幅弹性运动。
柔性臂杆的弹性振动将极大地影响机械臂末端的定位精度。
本设计结合机器人柔性手臂的结构特点，对机器人柔性手臂进行了受力分析，建立了柔性手臂系统的集中参数模型。
对柔性手臂系统的特性、系统的可控制性和可观测性进行了分析，用极点配置求取状态反馈系数K对系统进行反馈。
使柔性手臂系统的振动快速达到稳态,用MATLAB仿真确认控制效果。
关键词：柔性机械臂，控制系统，MATLAB仿真Design and simulation system for flexible manipulator control basedon MATLABAbstract：The trend of the development of mechanical arm is high speed, high precision and light-duty, flexible operation of the flexible manipulator. The dynamics of flexible manipulator system is characterized by a wide range of rigid motion at the same time, with flexible arm slightly elastic movement. The elastic vibration of flexible arm will greatly influence the mechanical arm at the ends of the positioning accuracy. This design with the structure characteristics of a flexible robot arm, has carried on the stress analysis of flexible robot arms, established the lumped parameter model of the flexible arm system. Characteristics of the flexible arm system, system controllability and observability are analyzed, using pole assignment for state feedback coefficient K to feedback system. To make the vibration of the flexible arm system to reach steady state quickly, MATLAB simulation confirm the control effect.Key words：Flexible manipulator, Control system, MATLAB simulation目录1概述 (1)1.1引言 (1)1.2研究目的及意义 (2)1.3国内外柔性机械臂的研究现状 (3)1.3.1柔性臂动力学建模的研究现状 (3)1.3.2柔性机械臂的主动控制 (4)2柔性手臂的建模过程 (5)2.1柔性手臂对机器人的重要性 (5)2.2柔性手臂的试验模型 (6)2.3状态方程的建立 (8)2.3.1集中参数模型 (8)2.3.2系统参数和变量的定义 (8)2.3.3数学模型 (10)3系统的特性分析 (13)3.1实验参数 (13)3.2比例变换 (14)3.3系统矩阵的特征值和手臂的振型 (15)3.4可控制性和可观测性 (20)4用极点配置法进行设计和仿真 (22)4.1状态反馈设计 (22)4.2控制系统设计方法选择 (22)4.3利用仿真确认控制效果 (24)5控制系统的实现 (26)总结 (27)参考文献 (29)致谢 (30)附录 (31)1 概述1.1 引言随着人类科技水平的不断进步，机器人的应用越来越广泛。
二自由度机械臂matlab二自由度机械臂是一种常见的工业机器人，它由两个旋转关节组成，可以在水平和垂直方向上进行运动。
在工业自动化领域，二自由度机械臂被广泛应用于装配线上的零部件处理、焊接、涂装等工作。
在本文中，我们将探讨如何利用Matlab对二自由度机械臂进行建模和控制。
我们需要建立二自由度机械臂的数学模型。
通过分析机械臂的结构，可以得到其运动学和动力学方程。
运动学方程描述了机械臂末端的位置和姿态与关节角度之间的关系，而动力学方程则描述了机械臂关节的运动和扭矩之间的关系。
利用Matlab可以方便地求解这些方程，从而实现对机械臂运动的仿真和控制。
接下来，我们可以利用Matlab进行机械臂的控制设计。
控制设计的目标是使机械臂能够按照预先设定的轨迹进行运动，并实现精准的定位和操作。
常见的控制方法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
在Matlab中，可以通过编写控制算法来实现对机械臂的闭环控制，从而提高其运动的精度和稳定性。
除了控制设计，Matlab还可以用于机械臂的路径规划和优化。
路径规划是指在给定约束条件下，寻找机械臂末端的最佳运动轨迹，以实现高效的操作。
而优化算法可以帮助机械臂在复杂环境中选择最优的路径，避免碰撞和提高效率。
通过Matlab的强大计算能力，可以快速地求解路径规划和优化问题，为机械臂的运动提供有效的支持。
二自由度机械臂的建模和控制是一个复杂而又具有挑战性的问题。
利用Matlab作为工具，可以方便地对机械臂进行仿真、控制设计、路径规划和优化，从而提高机械臂的运动性能和工作效率。
未来随着人工智能和机器学习的发展，二自由度机械臂的应用将会更加广泛，Matlab将继续发挥重要的作用，推动机械臂技术的发展和应用。
利用MATLAB仿真分析二自由度跟随伺服系统
施文济
【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2005(026)009
【摘要】利用MATLAB提供的强大计算功能和丰富的数据处理及绘图工具,对二自由度跟随伺服系统在不同的工作条件下(如不同的增益、转动惯量、阻尼特性等)进行系统的动、静态特性仿真分析,从而使系统的优化设计变得方便、简洁.
【总页数】3页(P29-30,33)
【作者】施文济
【作者单位】浙江水利水电专科学校,杭州,310016
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.利用Matlab/Simulink的轮式汽车制动过程仿真分析 [J], 朱为国;刘峰
2.基于MATLAB的阀控缸伺服系统仿真分析 [J], 任杉;李玮;韩青
3.基于MATLAB的电液位置伺服系统仿真分析 [J], 王勇亮;卢颖;潘春萍;梁建民
4.基于MATLAB的液压伺服系统位置控制仿真分析 [J], 刘锐
5.基于MATLAB的液压伺服系统位置控制仿真分析 [J], 刘锐
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
二自由度机械臂控制系统的设计与实现的开题报告一、题目二自由度机械臂控制系统的设计与实现。
二、研究背景随着现代工业的发展，机械臂在制造业和物流领域得到广泛应用。
因此，机械臂控制系统的研究和开发具有重要的现实意义。
目前，机械臂的控制方式主要有基于传统PID控制和基于机器学习的控制方式。
而在二自由度机械臂控制系统的设计和实现中，通常会采用传统PID控制方式。
三、研究目的与意义本文旨在设计和实现一套二自由度机械臂控制系统，以便更好地理解和掌握机械臂控制方面的知识，也为制造业和物流领域提供更好的机械臂控制系统方案。
四、研究内容1、二自由度机械臂的建模和仿真。
2、采用传统PID控制方式设计机械臂控制器。
3、采用ROS框架搭建机械臂控制系统。
4、控制系统测试与实验。
五、研究方法1、使用Matlab software建模和仿真二自由度机械臂。
2、采用传统PID控制方式，使用Matlab software设计控制器。
3、使用ROS框架，编写控制程序，搭建机械臂控制系统。
4、进行实验测试，对系统进行调试和优化。
六、研究进度安排1、建模和仿真二自由度机械臂及PID控制器的设计：1个月。
2、ROS框架搭建机械臂控制系统和编写控制程序：2个月。
3、实验测试、调试和优化系统：1个月。
4、论文撰写和答辩：1个月。
七、参考文献[1] 蒋永忠, 梁发才, 李广真. ROS系统在机械臂控制中的应用研究[J]. 物理学报, 2019, 68(8): 080508.[2] 叶海涛, 郭东生, 李修涛. 基于PID控制的多自由度机械臂运动控制研究[J]. 现代电子技术, 2016, 39(12): 92-95.[3] 刘娜. 机械臂运动控制与仿真[D].东华大学, 2016.[4] W. Yu, L. J. Young, W. J. Zhang et al. Sliding mode control for the 2-DOF direct-drive robot arm with uncertainties and disturbances [J]. Robotics and Autonomous Systems, 2016, 82: 139-147.。
二自由度机械臂matlab二自由度机械臂是一种重要的工业机器人，它由两个旋转关节组成，可以完成简单的抓取和定位任务。
在进行机械臂的控制和运动分析时，我们可以使用Matlab 软件，它提供了强大的数学计算和图形界面，可以帮助我们快速构建模型和进行仿真。
首先，我们需要建立机械臂的运动学模型，包括关节尺寸、连杆长度等参数。
这些参数可以通过实际测量或理论计算得到。
然后，我们可以使用正运动学方法计算机械臂的末端坐标，也就是机械臂的位置和姿态。
正运动学模型可以表示为：T_{0n} = T_{01} T_{12} ... T_{n-1n}其中，T_{0n}表示机械臂的末端坐标，T_{ij}表示从第i个关节到第j个关节的变换矩阵。
关节的运动可以通过设置关节角度来实现，这些角度可以通过编程或手动输入。
接下来，我们可以使用逆运动学方法计算机械臂的关节角度，也就是根据末端坐标计算关节角度。
逆运动学模型可以通过解析法、数值法、优化法等多种方法得到。
解析法是最常用的方法，它可以得到解析解，但是只适用于特定的机械臂结构。
数值法和优化法可以得到数值解，适用于复杂的机械臂结构。
在Matlab中，我们可以使用symbolic toolbox来实现解析求解，也可以使用数值库和优化函数来实现数值求解。
例如，我们可以使用fsolve函数来求解非线性方程组，使用fmincon函数来进行优化问题的求解。
最后，我们可以对机械臂进行动力学分析，包括关节扭矩、惯性矩、作用力等。
动力学分析可以根据机械臂的运动学模型和质量参数得到。
在Matlab中，我们可以使用Simulink工具箱来进行动力学分析和控制设计。
总之，Matlab是一种非常有用的工具，可以帮助我们进行机械臂的建模、控制和分析。
通过Matlab，我们可以更加深入地了解机械臂的运动规律和机理，从而为机械臂的应用和设计提供重要的支持。
