运动控制MATLAB仿真
MATLAB仿真技术在运动控制系统教学中的应用
2016年第1期总第172期95教师教材教法运动控制系统是高等学校自动化专业的重要专业课程。
课程涉及自动控制原理、电机及拖动基础、电力电子技术和计算机控制技术等多门课程的知识，具有较强的综合性和实践性[1]。
在此课程的教学改革和创新上，沈艳霞等人引入了CDIO 教学理念，从课堂教学、项目实施到考核方式等方面对工程教育模式进行了探讨[2]。
张兴华和姬宣德分别把Matlab/Simulink 引入到课堂教学中，对不同的调速系统进行仿真设计，加强学生对课堂知识的感性认识，提高教学趣味性[3-4]。
尚丽用在 Matlab 中的 Simulink 和GUI 界面，构建了该课程的虚拟实验平台，帮助学生直观地理解运动控制系统的组成和工作原理[5]。
包广清等提出了面向工程实践的综合训练方法，以教师承担的科研项目为平台，从项目各环节设计、教学组织实施以及学生学习评估等方面加深实践教学[6]。
本文借鉴了已有的改革方法，结合辽宁科技大学自动化专业的实际情况和特点，从工程应用型和创新型人才培养需要出发，将Matlab 仿真技术应用于课堂理论教学、实验教学、分组设计到科研训练等方面，达到理论与实践有效结合，引导学生独立进行控制系统的分析和设计，提高了学生的学习兴趣，增强了教学效果。
一、教学中存在的问题运动控制系统课程综合了多门专业课的知识，内容多且比较抽象。
目前，辽宁科技大学该课程仍然以课堂讲授理论知识为主，缺少工程实践的环境。
即使在教学中引入了多媒体的教学方法，仍难以让学生获得更加深刻的理性认识。
有限的实验课时无法让学生建立起系统概念，了解系统的结构和各因素变化对系统性能的影响[7]。
学生普遍反映该课学习和理解较困难。
学校的实验设备相对陈旧，设备数量有限且器件损坏严重。
实验学时数较少且内容相对落后， 多为简单的验证性实验。
在实验教师指导下学生按照实验指导书的要求在模块化的实验设备上进行简单连线，采集若干点数据，画出简单的特性曲线，难以绘制出电动机较逼真的机械特性和工作特性曲线[8]。
应用MATLAB控制系统仿真
01
根据系统性能要求，设计比例、积分、微分控制器参数，优化
系统性能。
状态反馈控制器设计
02
通过状态反馈控制器设计，实现系统的最优控制。
鲁棒控制器设计
03
针对不确定性系统，设计鲁棒控制器，提高系统对参数变化的
适应性。
04
控制系统仿真的动态行为，通过建立和求解微 分方程来模拟系统的动态响应。
性能等。
05
Matlab控制系统仿真实 例
一阶系统仿真
总结词：简单模拟
详细描述：一阶系统是最简 单的控制系统，其动态行为 可以用一个一阶微分方程描 述。在Matlab中，可以使用 `tf`函数创建一个一阶传递函 数模型，然后使用`step`函 数进行仿真。
总结词：性能分析
详细描述：通过仿真，可以 观察一阶系统的响应曲线， 包括超调和调节时间等性能 指标。使用Matlab的绘图功 能，可以直观地展示系统的 动态行为。
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适用于模拟数字控制系统、采样控制系统等。
实时仿真
01
在实际硬件上实时模拟控制系统的动态行为，通过将
控制算法嵌入到实际控制系统中进行实时仿真。
02
使用Matlab中的`real-time workshop`等工具箱进
行建模和仿真，可以方便地实现实时仿真。
03
适用于模拟实际控制系统、验证控制算法的正确性和
实时仿真
Matlab支持实时仿真，可以在实 际硬件上运行控制算法，进行系 统测试。
02
控制系统数学模型
线性时不变系统
线性时不变系统（LTI）是指系统的输出与输入之间的关系 可以用线性常数来描述的系统。在控制系统中，LTI系统是 最常见的系统类型之一。
如何使用Matlab技术进行模拟仿真
如何使用Matlab技术进行模拟仿真引言在科学研究和工程设计中，模拟仿真是一种重要的工具。
它可以帮助研究人员和工程师预测和评估系统的性能、优化设计方案、解决问题等。
近年来，Matlab成为了广泛使用的科学计算软件，具有强大的数值计算和仿真功能。
本文将介绍如何使用Matlab技术进行模拟仿真，以及一些常见的应用案例。
一、Matlab的基本介绍Matlab是由美国MathWorks公司开发的一种科学计算软件。
它具有丰富的数学函数库和各种工具箱，可以进行数值计算、数据可视化、统计分析、信号处理、控制系统设计等。
Matlab是一种解释性的编程语言，用户可以通过编写脚本文件或使用命令行进行交互式计算。
二、Matlab的仿真建模工具Matlab提供了Simulink这一强大的仿真建模工具。
Simulink使用图形化界面，可以直观地构建系统模型。
可以将系统抽象成各种不同的模块，通过连接这些模块来描述系统的结构和行为。
Simulink支持常见的连续时间仿真、离散时间仿真和混合仿真，并提供了丰富的仿真调试工具。
三、Matlab的数值计算和优化在模拟仿真过程中，通常需要进行数值计算和参数优化。
Matlab提供了强大的数值计算功能，可以进行矩阵运算、数值积分、微分方程求解、优化等。
用户可以通过编写自定义函数和调用内置函数来实现数值计算和优化任务。
Matlab还提供了各种优化算法，如遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法等，可以解决复杂的优化问题。
四、Matlab在控制系统设计中的应用控制系统是一种常见的工程系统，如何设计合适的控制策略是一个重要的问题。
Matlab提供了专门的控制系统工具箱，包括系统建模、控制器设计、仿真测试等功能。
用户可以使用Matlab进行控制系统建模，通过调整控制器参数来达到所需的性能指标，并使用Simulink进行仿真测试。
Matlab还提供了自适应控制、最优控制、模糊控制等高级控制方法，可以满足不同的控制需求。
Matlab在运动控制系统实验教学中的应用
Ａｐ ｌ ａｉｎ ｏ ｔａ ｎ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｐｉ ｔｏ ｆＭａｌｂ ｉ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｃ
运动控制系统综合 了电力 电子电路、电机拖动
基础、 自动控制理论 、微机原理与应用等多学科 的
知识 ，是实践性和应用性很强的课程 。由于电力 电
１ 电力 系统工具箱简 介
电力系统工具箱 以 Ｓ ｕ ｎ 为运行环境 ，包括 ｉ ｌｋ ｍ ｉ 了电路、电力 电子 、电机等电气工程学科 中常用的
维普资讯
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技
术
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理
第２ ４卷
第ｌ 期 ２０ 年 １ ０７ 月
Ｃ ｌ～２ ３ ／ Ｎ１ ０ ４ Ｔ
Ｅｘ ｅｉ ｎａ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ａ ｅ ｎ ｐｒ ｍｅ ｔｌ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙａ ｄ Ｍａ ｇ ｍｅ ｔ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ １ Ｊｎ．２ ０ １２ ． ａ ０７
器、电感和开关等 ； （ ）电机模块库 （ ａｈ ｅ） 交流 、直流等 ４ Ｍ ｃｉ ｓ ｎ 各种 电机模块 ； （ ）测 量模 块 库 （ ｅｓｒ ｅｔ） 包 括 电 ５ Ｍ ａｕ ｍ ｎ ｅ ｓ
电路和系统仿真带来 了很多方便 。本文列举两例 ，
说明 Ｍ ｆｂ ａａ 在运动控制系统实验教学 中的应用 。 ｌ
分段线性处理的方法来进行研究 。现代计算机仿真 技术为运动控制系统 的分析提供 了崭新的方法 ，可
以使复杂的电力 电子电路、系统 的分析和设计变得
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。
具体要求如下： 在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,变换器的放大倍数s K =35。
电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。
额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =7.2V 。
系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。
试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3N I 以内)和转速反馈系数α。
（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。
（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。
给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。
（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。
并与仿真结果进行对比分析。
（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。
（6）在5s 突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。
（一）实验参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： • 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e=0.132Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5； • 晶闸管装置放大系数：K s=40； • 电枢回路总电阻：R =0.5Ω ； • 时间常数：T i=0.03s ， T m=0.18s ；• 电流反馈系数：β=0.05V/A （≈10V/1.5I N ）。
Matlab中的模拟与仿真技术详解
Matlab中的模拟与仿真技术详解引言Matlab是一种被广泛应用于科学研究和工程领域的高级计算环境和编程语言。
它提供了丰富的函数库和工具箱，使得模拟和仿真技术得以在各种科学和工程应用中发挥出色的作用。
本文将详细介绍Matlab中的模拟与仿真技术，并深入探讨其在不同领域的应用。
一、Matlab中的模拟技术1.1 数学模型的建立在Matlab中进行模拟，首先需要建立相应的数学模型，以描述系统的行为。
数学模型可以是一组方程、差分方程、微分方程等，用于描述系统的输入、输出和中间变量之间的关系。
Matlab提供了强大的数学工具，如符号计算工具箱，可以帮助用户更方便地建立和求解各种数学模型。
1.2 信号与系统模拟信号与系统模拟是Matlab中常见的一种模拟技术。
通过模拟信号的输入、处理和输出过程，可以对系统进行分析和验证。
在Matlab中，可以使用信号处理工具箱中的函数来生成、操作和分析各种类型的信号。
例如，可以生成正弦波、方波、脉冲信号等，并对它们进行滤波、频谱分析、时频分析等操作。
1.3 电路模拟电路模拟是Matlab中另一个常用的模拟技术。
通过建立电路模型，可以对电路的行为进行仿真和分析。
Matlab提供了电路仿真工具箱，用户可以通过搭建电路拓扑结构和设置元器件参数，实现对电路的模拟和分析。
这种电路模拟技术在电子电路设计、性能评估和故障诊断等领域有广泛的应用。
1.4 机械系统模拟除了信号与系统和电路模拟外，Matlab还可以进行机械系统的模拟。
通过建立机械系统的动力学模型，可以预测物体的运动规律、受力情况等。
Matlab提供了机械系统建模和仿真工具箱，用户可以建立刚体系统、弹簧阻尼系统等，并进行仿真和动态分析。
这种机械系统模拟技术在机械工程、工业设计等领域具有重要的应用价值。
二、Matlab中的仿真技术2.1 数值仿真数值仿真是Matlab中最常见的仿真技术之一。
它通过数值计算方法对系统进行仿真，并得到系统的数值解。
如何在Matlab中进行模拟和仿真
如何在Matlab中进行模拟和仿真引言：模拟和仿真是数字化时代不可替代的工具，在众多领域具有广泛的应用。
Matlab作为一种强大的数学计算软件，提供了丰富的工具和函数，可以帮助我们进行各种模拟和仿真分析。
本文将介绍如何在Matlab中进行模拟和仿真，以及一些常用的技巧和注意事项。
一、Matlab中的模拟和仿真工具1. Matlab的基本特性Matlab具有高效的计算能力和友好的用户界面，支持多种数学运算、绘图和数据处理功能。
它提供了丰富的工具箱，可以满足不同领域的模拟和仿真需求。
2. Matlab SimulinkMatlab Simulink是Matlab中的一款强大的系统仿真工具，可用于建立各种复杂的动态系统模型。
通过使用Simulink中的模块和线路连接，可以直观地建立并仿真各种系统，如电路、机械系统、控制系统等。
3. Matlab中的其他工具箱除了Simulink，Matlab还提供了许多其他工具箱，如Signal Processing Toolbox、Control System Toolbox、Communication Toolbox等，可以用于处理和分析特定领域的信号、控制和通信问题。
这些工具箱提供了丰富的函数和算法，大大简化了模拟和仿真的过程。
二、Matlab模拟和仿真的基本步骤1. 建立模型在进行模拟和仿真之前，首先需要明确模型的目标和要求。
然后，根据模型的特点和公式，使用Matlab提供的函数和工具箱，建立相应的数学模型。
可以根据需要将模型分为多个子系统，以便更好地组织和管理模型。
2. 参数设置模型建立完成后，需要设置各个参数的数值。
这些参数可能包括模型的物理特性、控制参数等。
根据具体情况，可以通过手工输入、数据拟合或对已有数据的分析来确定参数的取值。
3. 运行仿真参数设置完成后，即可运行仿真。
Matlab提供了多种仿真方法，如连续仿真、离散仿真、Monte Carlo仿真等。
球杆系统控制器设计及matlab仿真
球杆系统控制器设计及matlab仿真本文旨在讨论《球杆系统控制器设计及matlab仿真》的主要内容和目标。
图论主要是介绍球杆系统控制器的设计原理和matlab仿真的应用，以及探索如何在该系统中实现强大的控制功能。
通过理论分析和数值模拟，我们将展示该系统的稳定性和性能优势。
这篇文档将提供给工程师和研究人员一个深入探讨球杆系统控制器设计与matlab仿真的指南。
通过这些工作，我们的目标是进一步推动该领域的发展，并提供实用、可靠的解决方案。
目标：球杆系统控制器的设计原理Matlab仿真在球杆系统控制中的应用探索如何实现强大的控制功能展示球杆系统的稳定性和性能优势提供工程师和研究人员指南引言本文旨在介绍球杆系统控制器设计及Matlab仿真的研究背景和目的。
球杆系统是指用于击球的高尔夫球杆，而控制器是指控制球杆运动和力量输出的设备。
设计合适的控制器可以帮助高尔夫球手提高球杆的稳定性和精准度。
高尔夫球运动具有一定的技术要求，其中球杆的使用对于取得高分尤为重要。
然而，球杆击球时的运动状态及力量输出是一个相对复杂的控制过程，需要综合考虑多个因素，如包括杆身材料、空气阻力、击球力量等。
为了改善球杆的控制性能，减少误差并提高击球精度，研究人员开始关注球杆系统的控制器设计及Matlab仿真。
Matlab是一种强大的数学建模和仿真工具，可以帮助工程师进行系统分析和设计。
通过Matlab仿真，可以模拟球杆系统的运动状态及力量输出，根据不同的参数和控制策略进行优化。
因此，利用Matlab进行球杆系统控制器设计及仿真，可以辅助研究人员深入了解球杆系统的控制原理，并提供有效的设计方案。
本文的目的是为了探讨球杆系统控制器设计及Matlab仿真的可行性和优势。
通过系统地分析和仿真，我们希望能够指导高尔夫球杆控制器的改进和优化，提高球手的击球技术和成绩。
同时，本文也为后续相关研究提供了理论基础和方法参考。
综上所述，本文将通过研究和分析球杆系统的控制器设计及Matlab仿真，为高尔夫球杆控制技术的发展做出贡献，并为相关研究提供参考和启示。
MATLAB控制系统的仿真
C R
x1 x2
0 1
L
u
L
y [1
0]
x1 x2
[0]u
•
x Ax bu
y CT x du
• 没有良好的计算工具前：系统建立、变换、分析、设 计、绘图等相当复杂。
• MATLAB控制系统软件包以面向对象的数据结构为基 础，提供了大量的控制工程计算、设计库函数，可以 方便地用于控制系统设计、分析和建模。
Transfer function:
s+1 ------------s^2 + 5 s + 6
Matlab与系统仿真
22
应用——系统稳定性判断
系统稳定性判据： 对于连续时间系统，如果闭环极点全部在S平面左半平面，
则系统是稳定的；
若连续时间系统的全部零/极点都位于S左半平面， 则系统是——最小相位系统。
Matlab与系统仿真
38
4.2 动态特性和时域分析函数
（一）动态特性和时域分析函数表 （二）常用函数说明 （三）例子
Matlab与系统仿真
39
（一）动态特性和时域分析函数表 ——与系统的零极点有关的函数
表8.6前部分p263
Matlab与系统仿真
40
——与系统的时域分析有关的函数
Matlab与系统仿真
Matlab与系统仿真
8
4.1 控制工具箱中的LTI对象
Linear Time Invariable
（一）控制系统模型的建立 （二）模型的简单组合 （三）连续系统和采样系统变换（*略）
Matlab与系统仿真
9
（一）控制系统模型的建立
➢ MATLAB规定3种LTI子对象：
• Tf 对象—— 传递函数模型 • zpk 对象—— 零极增益模型 • ss 对象—— 状态空间模型
伺服驱动与控制建模与Matlab仿真分析
2
(6) 最终求得该系统的开环传递函数模型G(s)为
G (s) K e s
e 0.35s
(T 1s1 )(T 2s1 ) (s1 )(0.352s1 )
统计模型法 —— 系统辨识法
系统辨识方法是现代控制理论中常用的方法，可根据系统的输入输出 响应估计系统的动态模型。响应信号包括：频率响应、阶跃响应、伪随机 响应、白噪声响应等。下图为系统辨识原理框图。
d2x F Fx m0 dt2
精确模型：
& x& (Jml2)F(Jlmm (Jl2)(m ml2)m si0n)m & 22l2cm os2l22gsincos & & mlcosFm2lm 2c2lo2ss2inc(oJs m & l22)(m (m 0m 0m ))mlgsin
若只考虑在工作点附近 0 0 附近100100
（2）机理建模实例 —— 一阶倒立摆
一阶倒立摆结构原理图
运动学与动力学分析建模：
1)摆杆绕其重心的转动方程为
J& & F ylsinF xlcos
2)摆杆重心的水平运动可能描述为
Fx
d2 m
dt2
(xlsin)
3)摆杆中心在垂直方向上的运动可描述为
Fy mgmddt22(lcos)
4)小车水平方向运动可描述为
m , r 为待定系数
通过实验可以获取对象的频率响应特性 G ˆ(j)Pi jQi
其中i为采样点， P , Q 为采样点处的幅值与相位
（1）Levy法对连续系统的模型进行辨识
问题：如何确定待定系数？ 从幅频特性的角度考虑所假定的对象传递函数，则有：
G (j )1 0 1j 1j L L m r (( jj)) m r B A 1 1 j jB A 2 2
Matlab控制模型及仿真技术
系统优化与改进
参数优化
通过Matlab的优化工具箱，对控制系统的参数进行优化，提高 系统性能。
结构优化
对控制系统的结构进行改进，如采用串级控制、解耦控制等。
算法改进
对控制算法进行改进，以提高系统的响应速度和稳定性。
05
Matlab控制模型及仿真技术案 例分析
02
控制模型的建立
传递函数模型
总结词
传递函数模型是控制系统中最常用的数学模型之一，它描述递函数模型基于系统的输入和输出信号，通过拉普拉斯变换或Z变换等方法， 将时域中的系统响应转换为频域中的传递函数。传递函数模型具有明确的物理 意义，能够直观地反映系统的动态特性。
案例三：离散时间系统仿真与分析
01
3. 使用Matlab的控制系统工具 箱进行系统分析和设计。
02
4. 进行仿真实验，验证系统的 性能。
03
案例应用：例如设计一个数字 通信系统，通过分析系统的误 码率和信噪比等参数，优化系 统的性能。
THANKS
感谢观看
案例二：非线性控制系统仿真
2. 建立非线性系统的数学 模型。
1. 确定系统的非线性特性。
设计步骤
01
03 02
案例二：非线性控制系统仿真
01
3. 使用Matlab的控制系统工具箱进行系统分析和设
计。
02 4. 进行仿真实验，验证系统的性能。
03
案例应用：例如设计一个飞行器控制系统，通过控制
飞行器的姿态和高度等参数，实现稳定的飞行。
案例三：离散时间系统仿真与分析
• 离散时间系统：离散时间系统是指系统的状态只在离散时刻发生变化，而在其 他时刻系统的状态保持不变的系统。在Matlab中，可以使用Simulink等工具 进行建模和仿真。
运动控制——MATLAB仿真
大作业: 直流双闭环调速MATLAB仿真课程名称：运动控制技术姓名：电气学院学院：专业：自动化学号：指导教师：孟濬2012年6月2日-------浙------江------------- -----------大------学-------李超一、Matlab仿真截图及模块功能描述Matlab仿真截图如下，使用Matlab自带的直流电机模型：模块功能描述：⑴电机模块（Discrete DC_Machine）：模拟直流电机⑵负载转矩给定（Load Torque）：为直流电机添加负载转矩⑶Demux：将向量信号分离出输出信号⑷转速给定（Speed Reference）：给定转速⑸转速PI调节（Speed Controller）：转速PI调节器，对输入给定信号与实际信号的差值进行比例和积分运算，得到的输出值作为电流给定信号。
改变比例和积分运算系数可以得到不同的PI控制效果。
⑹电流采样环节（1/z）：对电流进行采样，并保持一个采样周期⑺电流滞环调节（Current Controller）：规定一个滞环宽度，将电流采样值与给定值进行对比，若：采样值＞给定值+0.5*滞环宽度，则输出0；若：采样值＜给定值—0.5*滞环宽度，则输出1；若：给定值—0.5*滞环宽度＜采样值＜给定值+0.5*滞环宽度，则输出不变输出值作为移相电压输入晶闸管斩波器控制晶闸管触发角⑻晶闸管斩波GTO：根据输入电压改变晶闸管触发角，从而改变电机端电压。
⑼续流二极管D1：在晶闸管关断时为电机续流。
⑽电压传感器Vd：测量电机端电压⑾示波器scope：观察电压、电流、转速波形系统功能概括如下：直流电源通过带GTO的斩波器对直流电机进行供电，输出量电枢电流ia和转速wm通过电流环和转速环对GTO的通断进行控制，从而达到对整个电机较为精确的控制。
下面对各个部分的功能加以详细说明：（1）直流电机双击电动机模块，察看其参数：为了了解电机的内部结构，右键、点击Look Under Mask，如下图所示：（2）负载该模型采用了两种类型的负载可供选择，即恒转矩负载与阶跃转矩负载，（Torque Step）（3）速度控制环速度控制主要是通过速度控制器实现的。
桥式吊车小车运动控制系统的建模及MATLAB仿真(附程序)
桥式吊车运动控制系统的建模及MATLAB 仿真(附程序)1 简介桥式起重机是横架于车间、仓库及露天堆场的上方，用来吊运各种物体的机械设备，通常称为“天车”或 “吊车”。
它是机械工业、冶金工业和化学工业中应用最广泛的一种起重机械。
实际生产中的桥式吊车（天车）类似，是一个MIMO 复杂控制系统。
桥式吊车系统由三部分组成：桥架驱动系统，车体驱动系统和重物装吊系统。
其工作流程为：先将重物起吊至预先设定好的高度，然后吊车运动将重物运到想要放置的位置上方，最后把重物下放到想要放置的位置上。
2 确定要研究的系统为桥式吊车运动控制系统桥式吊车系统工作示意图见下图1：图1 桥式吊车工作示意图对于如上桥式吊车控制系统，首先做如下假设：1) 吊车的行走运动仅限于吊车一个自由度，即假设桥架不运动，只有吊车在桥架上行走。
2) 吊车行走时吊装重物的绳索长度不变。
图中，x 坐标为水平方向，z 坐标为垂直方向。
重物的摆动是由吊车与重物的运动产生的，可以根据动力学有关规律建立吊车及重物的运动方程式。
1) 在水平方向，吊车和重物整体受力为F(t)，由牛顿第二定律得()()()M m MX t mX t F t ''''+= （1）2) 在垂直于绳索方向，重物受力为sin ()mg t θ，由牛顿第二定律得()cos ()()sin ()sin ()m m mX t t mZ t t mg t θθθ''''+=（2）由吊车在行走时吊装重物的绳索长度不变的假设可得出下面两个关系式：()sin ()()m M X t l t X t θ+= （3） ()cos ()m Z t l t θ= （4）式中，l 为绳索长度。
由（3）可得2()()cos ()()sin ()()m M X t X t l t t l t t θθθθ'''''''=-+ （5）（5）代入（1）得：2()()cos ()()sin ()()()MM m X t ml t t ml t t F t θθθθ'''''+-+=（6） 同样由式（4）可得：2()cos ()()sin ()()m Z t l t t l t t θθθθ'''''=-- （7）将（5）（7）代入（2）得()cos ()()sin ()M X t t l t g t θθθ''''-=（8）又()t θ尽量小，所以有如下近似式：sin ()()t t θθ≈，cos ()1t θ≈，2sin ()()0t t θθ'≈将（6），（8）线性化可得：()()()()M M m X t ml t F t θ''''+-=（9） ()()()M X t l t g t θθ''''-= （10）由（9）和（10）计算得1()()()M mg X t t F t M Mθ''=-+ （11） 和()1()()()M m g t t F t Ml Mlθθ+''=-+ （12） 3） 吊车驱动装置的方程式。
MATLAB机器人仿真程序
MATLAB机器人仿真程序随着机器人技术的不断发展，机器人仿真技术变得越来越重要。
MATLAB是一款强大的数学计算软件，也被广泛应用于机器人仿真领域。
本文将介绍MATLAB在机器人仿真程序中的应用。
一、MATLAB简介MATLAB是MathWorks公司开发的一款商业数学软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等。
MATLAB具有丰富的工具箱，包括信号处理、控制系统、神经网络、图像处理等，可以方便地实现各种复杂的计算和分析。
二、MATLAB机器人仿真程序在机器人仿真领域，MATLAB可以通过Robotics System Toolbox实现各种机器人的仿真。
该工具箱包含了机器人运动学、动力学、控制等方面的函数库，可以方便地实现机器人的建模、控制和可视化。
下面是一个简单的MATLAB机器人仿真程序示例：1、建立机器人模型首先需要定义机器人的几何参数、连杆长度、质量等参数，并使用Robotics System Toolbox中的函数建立机器人的运动学模型。
例如，可以使用robotics.RigidBodyTree函数来建立机器人的刚体模型。
2、机器人运动学仿真在建立机器人模型后，可以使用Robotics System Toolbox中的函数进行机器人的运动学仿真。
例如，可以使用robotics.Kinematics函数计算机器人的位姿，并使用robotics.Plot函数将机器人的运动轨迹可视化。
3、机器人动力学仿真除了运动学仿真外，还可以使用Robotics System Toolbox中的函数进行机器人的动力学仿真。
例如，可以使用robotics.Dynamic函数计算机器人在给定速度下的加速度和力矩，并使用robotics.Plot函数将机器人的运动轨迹可视化。
4、机器人控制仿真可以使用Robotics System Toolbox中的函数进行机器人的控制仿真。
例如，可以使用robotics.Controller函数设计机器人的控制器，并使用robotics.Plot函数将机器人的运动轨迹可视化。
如何在Matlab中进行模拟与仿真
如何在Matlab中进行模拟与仿真Matlab作为一款广泛应用于工程和科学领域的软件，为用户提供了丰富的模拟与仿真工具，以帮助他们有效地研究和解决实际问题。
本文将介绍如何在Matlab中进行模拟与仿真的基本步骤和常用技巧，以及如何优化仿真结果和改进仿真模型。
一、概述在深入探讨Matlab中的模拟与仿真之前，我们先来了解一下这两个概念的含义。
模拟是指通过对实际系统进行数学建模和计算机仿真，以预测系统的行为和性能。
而仿真则是指通过设计和实现计算机模型，以模拟实际系统的运行情况。
二、模拟与仿真的基本步骤1. 确定模拟目标：在进行模拟与仿真之前，我们需要明确模拟的目标是什么。
例如，是为了分析系统的动态响应，还是为了优化某个过程的效率等。
2. 建立数学模型：模型是模拟与仿真的基础，它反映了实际系统的行为和性能。
在建立数学模型时，我们需要根据系统的特性和要求，选择合适的数学方法和模型类型，如方程、函数、状态空间模型等。
3. 编写Matlab程序：在Matlab中，我们可以使用脚本和函数来实现模型的数学表达式和计算过程。
脚本通常用于执行一系列的计算操作，而函数则用于封装特定的计算功能，以便在不同的场景下复用。
4. 调试和验证：在运行模拟程序之前，我们需要对其进行调试和验证，以确保程序的正确性和可靠性。
在调试过程中，我们可以使用Matlab提供的调试工具，如断点调试、变量跟踪等。
5. 运行模拟程序：在调试和验证完成后，我们可以开始运行模拟程序，以获取系统的模拟结果。
在运行过程中，我们可以通过Matlab的图形界面或命令行窗口，实时查看和分析模拟结果。
三、模拟与仿真的常用技巧1. 参数优化：在进行模拟与仿真时，系统的参数选择对结果的准确性和可靠性至关重要。
通过分析系统的特性和要求，我们可以使用Matlab提供的优化工具，如遗传算法、粒子群优化等，来寻找最优的参数组合。
2. 可视化分析：Matlab提供了丰富的绘图和可视化函数，可以帮助我们直观地分析和展示模拟结果。
如何使用Matlab进行模拟与仿真
如何使用Matlab进行模拟与仿真使用Matlab进行模拟与仿真引言：现今，计算机软件在工程领域的应用越来越广泛。
特别是在模拟与仿真方面，计算机软件成为了工程师们不可或缺的工具。
在诸多的计算机软件中，Matlab无疑是一个备受赞誉的工具，它凭借其强大的数学计算和数据处理功能，成为了工程师们首选的软件之一。
在本文中，我们将探讨如何使用Matlab进行模拟与仿真。
一、Matlab的基础知识Matlab是一款专业的科学计算软件，它可以进行数值计算、矩阵运算、绘图和数据分析等多种功能。
在使用Matlab进行模拟与仿真之前，我们需要掌握一些基础知识。
首先，我们需要了解Matlab的环境。
Matlab的环境分为三个主要窗口：命令窗口、编辑器窗口和工作空间窗口。
命令窗口是用户与Matlab交互的地方，可以输入命令进行计算和操作；编辑器窗口用于编辑和保存Matlab脚本文件；工作空间窗口显示了当前的变量和数据。
其次，我们需要了解Matlab的基本语法。
Matlab的语法与其他编程语言有些不同，它使用矩阵和向量的形式进行计算。
我们可以使用Matlab提供的函数进行数学计算，也可以自定义函数来实现特定的功能。
最后，我们需要熟悉Matlab的常用函数和工具箱。
Matlab提供了丰富的函数和工具箱，用于各种不同类型的模拟和仿真任务。
例如，Simulink工具箱是用于系统仿真和控制设计的工具箱，Signal Processing工具箱是用于信号处理和滤波的工具箱。
二、使用Matlab进行模拟Matlab提供了强大的数值计算能力，可以用于各种数字系统的模拟。
在进行模拟之前，我们需要定义我们要模拟的系统方程或模型，并设置合适的参数。
在模拟之前，我们可以使用Matlab的绘图功能来可视化我们的系统或模型。
Matlab提供了各种绘图函数，可以绘制出系统的输入输出关系图、频率响应图等。
通过可视化，我们可以更好地理解系统的特性和行为。
MATLAB与运动控制仿真
MATLAB与运动控制系统仿真题目：加速器数字反馈控制的MATLAB仿真学院：电气工程学院姓名：班级学号：加速器数字反馈控制的MATLAB仿真摘要：介绍了应用MATLAB对加速器数字反馈控制的仿真．包括对实验平台数学模型的稳定性分析、时域特性和频域特性的研究，及控制算法的设计．为在实验平台开展数字反馈控制研究提供重要的参考依据。
关键词：MATLAB仿真；数字反馈MATLAB软件不仅集数值计算、图像处理、图形绘制、符号计算、实时控制等多功能于一一体，而且其丰富的工具箱的设计，如控制界最流行的控制系统工具箱、信号处理工具箱、健壮控制工具箱及仿真环境Simulink等，使其在控制工程设计和应用中成为重要仿真工具。
MATLAB 的控制系统工具箱(controlsystem toolbox)为数字反馈控制系统提供了强大的分析与仿真功能：（1）系统稳定性的判定，如直接判定法和Routh—Hurwitz判定法。
（2）研究系统的时域特性，反映系统的动态特性，如系统的响应时间、超调量、上升时间和稳态误差等。
（3）研究系统的频域特性，分析系统的噪声特点，设计滤波器。
（4）设计控制器，实现系统的反馈控制。
对加速器控制系统开展数字反馈控制研究的关键技术包括三部分：建立一套数字反馈控制研究的实验平台，用MATLAB对实验平台进行仿真及在实验平台上实现数字反馈控制。
1 数字反馈控制实验平台1．1 实验平台在同步辐射装置中，磁铁安装准直误差、地基振动、磁铁电源纹波、环境隧道温度的变化等诸多因素影响束流轨道的稳定，采用反馈技术可以有效地抵消上述因素的影响，提高束流的品质。
为了开展同步辐射装置反馈控制技术的前期研究，我们建立了一个离线的数字反馈控制平台，其基本构成如图1所示，它包括实验装置平台和DSP反馈控制系统两部分。
实验装置平台由磁铁电源、磁铁、Hall电路组成；DSP反馈控制系统包括PC主机、主控制器、数字信号处理器DSP、ADC、DAC等。
UVW平台运动控制算法以及matlab仿真
UVW平台运动控制算法以及matlab仿真UVW平台运动控制算法以及matlab仿真最近公司同事因为对某视觉对位平台的运动控制算法有疑问，所以来请教我。
由于我也是第⼀次接触到UVW⾃动对位平台（也可以叫XXY⾃动对位平台），于是找了⼀些资料学习⼀下，⼤概了解了运动模式后，使⽤matlab模拟了此平台，并验证了UVW平台资料提供的运动控制算法的正确性。
⼀、UVW平台介绍1、这是⼀种可以实现以平⾯上任意⼀点为中⼼，进⾏旋转运动的装置，并可沿着任意的⽅向平移。
2、此平台和视觉CCD纠偏系统对接在⼀起，可以很快完成⾼精度的纠偏⼯作，重复定位精度⼀般可达±1µm；UVW平台和以前的xyθ平台相⽐，有以下⼏点不同：1、控制精度⾼于xyθ平台；2、UVW平台可以平⾯上任意⼀点为中⼼做旋转运动（包括⽆限远）；⽽xyθ平台由于仅仅依靠⼀个电机的转动控制，所以旋转中⼼必须是固定在平台上某处（θ电机连接处），且必须随平台⼀同运动。
3、基于第⼆点的区别，显然UVW平台是需要⼀个绝对坐标系作为参考系，其旋转中⼼才有意义；⽽xyθ平台则必须是⼀个随平台动的坐标系作为参考系，这样控制计算⽅法便完全不⼀样了。
UVW平台⼯作模式如下图：⼆、计算⽅法计算⽅法由平台供应商提供，截图如下：仔细研究⼀下上述的公式，很容易发现，这只是简单的⼏何运算以及对⼆维坐标的求解问题。
简单说明⼀下视觉对位和运动控制思路：1、通过UVW平台供应商提供的说明书，找到机械参数，得到UVW三个轴的初始坐标（基于UVW平台原点坐标系）；2、通过视觉标定⽅法，确定相机坐标系到UVW平台坐标系的转换矩阵；确定标志物模板基于UVW平台原点坐标系的坐标值（x_m, y_m）；3、通过相机得到标志物模板位置和待纠偏标志物之间的x、y、θ偏移量（基于UVW平台原点坐标系）；4、按照上图公式，输⼊三个轴初始坐标，设置旋转中⼼为(0,0)，输⼊θ偏移量，可得到UVW三轴新的坐标值，以及待纠偏物体的新的坐标，以及三个电机对应的给进量A1、A2、A3；5、输⼊上⼀步求得的UVW三轴新的坐标值，另外通过上⼀步求得的待纠偏物体的新的坐标，计算得此时待纠偏物体到模板点位置的x2、y2偏移量；输⼊x2、y2偏移量，则可以得到三个电机对应的给进量B1、B2、B3；6、将5和6步获取的三个电机的给进量对应相加，分别得到对应电机给进量C1、C2、C3，并⽤此给进量驱动对应电机即可。
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大作业: 直流双闭环调速MATLAB仿真运动控制技术课程名称：名：姓电气学院院：学自动化业：专号：学孟濬指导教师：2012年6月2日------------------------------------- -------------学浙大江李超一、Matlab仿真截图及模块功能描述Matlab仿真截图如下，使用Matlab自带的直流电机模型：模块功能描述：⑴电机模块（Discrete DC_Machine）：模拟直流电机⑵负载转矩给定（Load Torque）：为直流电机添加负载转矩⑶Demux：将向量信号分离出输出信号⑷转速给定（Speed Reference）：给定转速⑸转速PI调节（Speed Controller）：转速PI调节器，对输入给定信号与实际信号的差值进行比例和积分运算，得到的输出值作为电流给定信号。
改变比例和积分运算系数可以得到不同的PI控制效果。
⑹电流采样环节（1/z）：对电流进行采样，并保持一个采样周期⑺电流滞环调节（Current Controller）：规定一个滞环宽度，将电流采样值与给定值进行对比，若：采样值＞给定值+0.5*滞环宽度，则输出0；若：采样值＜给定值—0.5*滞环宽度，则输出1；若：给定值—0.5*滞环宽度＜采样值＜给定值+0.5*滞环宽度，则输出不变输出值作为移相电压输入晶闸管斩波器控制晶闸管触发角：根据输入电压改变晶闸管触发角，从而改变电机端电压。
GTO⑻晶闸管斩波．⑼续流二极管D1：在晶闸管关断时为电机续流。
⑽电压传感器Vd：测量电机端电压⑾示波器scope：观察电压、电流、转速波形系统功能概括如下：直流电源通过带GTO的斩波器对直流电机进行供电，输出量电枢电流ia和转速wm通过电流环和转速环对GTO的通断进行控制，从而达到对整个电机较为精确的控制。
下面对各个部分的功能加以详细说明：（1）直流电机双击电动机模块，察看其参数：为了了解电机的内部结构，右键、点击Look Under Mask，如下图所示：（2）负载该模型采用了两种类型的负载可供选择，即恒转矩负载与阶跃转矩负载，（TorqueStep）（3）速度控制环速度控制主要是通过速度控制器实现的。
速度控制器的输出为Iref，是下一级的电流控制器的参考输入。
wm和wref是速度控制器的两个输入，其中wm表示电机转速；wref是参考转速输入，通过一个选择开关将两个速度参考输入接入：Ref .Speed和Speed Step。
双击Speed Step，得到其详细情况：用示波器观察如下所示：在速度控制器（Speed Control）上右键、点击Look Under Mask后，得到具体结构如下所示：由此可见，速度控制器实际上是一个比例积分环节PI：Iref=(wref-wm)*(Kp+)相应的，双击速度控制器，得Kp=1.6，Ki=16，限流值30A，即：Iref=(wref-wm)*(1.6+)（4）电流控制环Iref和Ia是电流控制器的两个输入，只是Ia先经过了滤波器Filter。
双击Filter 以了解其详情：电流控制器的输出信号接入GTO的门极以实现其开关。
在电流控制器上右键>Look Under Mask后，具体结构如下所示：这是个滞环比较结构。
当Iref大于Ia时，输出为1，当Iref小于Ia时，输出为0。
（5）开关管GTOGTO的门极驱动信号为电流控制器的输出，当输出为1时，GTO开通，当输出为0时，关断GTO，电枢回路通过电感Ls和而二极管D1续流。
其参数如图所示：（6）示波器Scope是示波器，双击之，得其图像。
这个主要是用来观察在给定信号后电动机各个量的变化情况。
二、仿真结果及分析当转速改变、转矩改变下电机运行性能会发生很大的改变，下面分别予以仿真分析。
（1）首先看当转矩选择恒转距5Nm、转速参考量选择常量120rad/s时和转矩转速均为阶跃信号的结果。
上图是电机的起动过程：速度控制器的参考端突加给定120rad/s，电机开始启动。
初始转速为0，速度控制器的输出饱和30A。
当电流从0开始增长时，电流控制器的输出为1，GTO导通，电流很快达到饱和值30A左右，GTO关断。
随着电机转速逐渐上升，反电动势将增大，电枢电流减少，当下降到30A以下时，GTO 重新开通，电流上升；如此电流在30A附近不断变化。
最后，电流基本稳定在30A左右，但是此时转速尚未上升到给定值。
一旦转速超过120rad/s时，速度控制器将退出饱和，GTO关断，电枢电流将会慢慢下降，随之电机的输出转矩下降；电机转矩小于负载转矩时，点击开始减速，逐渐回到速度给定值，此时电枢电流也达到稳定。
最终，电流和转速都逐渐趋于稳定值。
．进一步放大得到更精确的图像与预测结果基本一致。
．（2）突加转矩的情况结果如下图所示：放大后如下图所示：可以看出，在1.2s突加转矩之前的图像与上一种情况完全一样。
在突加转矩之后，由于阻力矩的变大，转速不能突变，但是仍然出现了波动而变小。
同时为了提供相应的转矩，电流明显增大。
这是因为随着转速的下降，电机的反电动势将减小，由此电枢电流立即增大，同时电机转速上升，当超过一定值时，GTO关断，电流逐渐下降；最终达到新的稳定值，而电机转速恢复原来的值。
（3）突加转矩、转速的情况结果如下图所示：在前面的分析基础上我们对这种情况进行剖析。
在0.4s之前，是电机的启动过程，与似一种情况的完全一致。
此为第一阶段。
在0.4s改变转速参考值，转速控制器将重新达到饱和，未达到要求转速，相当于点击启动过程尚未完成。
电枢电流将继续很快达到饱和值，维持一段时间后，随着转速上升到一定值而下降，转速最终稳定在160rad/s附近。
电流也将达到稳定值，因为负载转矩没有改变，此值与第一阶段的稳态电流值一致，此为第二阶段。
在1.2s将负载转矩改变，由于相当是突加负载，由于电机转速的下降，感应电势将下降，导致电枢电流的上升，输出转矩也将随之上升，以补偿负载转矩的增量，如此，最终转速基本维持稳定。
由于负载转矩的上升，电枢电流将维持在一个新的更高的值附近，此为第三阶段，如上图所示。
下面研究PI参数对电机性能的影响。
如上所述，转速PI调节器为一比例积分运算单位，关系式如下：Iref=(wref-wm)*(Kp+)有三个参数：比例系数Kp、积分系数Ki和电流限幅值Imax。
下面分别对其影响进行分析，这里将参考转速和负载转矩做为常数：（1）Kp对电机性能的影响由PI调节器的传递函数可知，当Kp增大时，转速的变化将进一步被放大，系统在状态之间变化更快。
同理，当Kp减少时，系统经历的暂态时间会更长，即在状态之间的变化会很慢。
下面分别为Kp=0.16 Kp=1.6和Kp=32时，系统转速和电枢电流的变化曲线，可见结论基本正确。
Kp=0.16Kp=1.6：Kp=32可见，转速、电流无明显超调，电流变化速度快，系统动态响应速度快。
将此Kp=32的波形与Kp=0.16的波形对比可知，增大了转速PI调节器的比例系数，电流变化速度明显加快。
原系统电流变化时间在0.1s左右，而此系统电流变化几乎可以认为在瞬间完成。
系统的动态响应变好。
另外，电机转速变化速度主要受到电流限幅值的约束，因此变化不大。
但是，若比例系数过大，当转速稍稍超过给定转速，输入误差为很小的负数时，经过比例系数的放大后也会起主导作用，使给定电流值急剧下降到稳态值以下，从而出现电流尖峰。
因此，在整定比例系数时，应适当，不可过大或过小。
（2）Ki对电机性能的影响Ki为积分周期的倒数，将积分参数Ki改小，则转速的超调量增大，但转速与电流波形振荡减弱，电流波形会平稳很多。
下面分别进行比较，系统的转速和电枢电流变化情况.Ki=16Ki=1.6Ki=0.16对比Ki=16的波形与Ki=1.6波形可知，前者电流、转速由明显的超调，电流变化速度基本不变，两个系统动态响应速度相同。
由此得出结论：增大积分系数后，积分作用变强，系统超调量增加，但动态响应速度变化不大。
因此，积分系数不能过大，当然，也不能过小。
基本符合结论，但是当Kp太大的话会使Ki影响不明显，因此为了方便观察，改Kp=0.4，Ki=16：Ki=1.6Ki=0.16这次模拟效果比较理想，证明了分析的结论。
（3）幅值电流的影响转速控制器的幅值电流参数决定了当PI调节器饱和输出时的输出值，仅对电枢电流饱和值。
不难预测，当将电流限幅值Imax改变为某一值后的波形。
下图是原图：下图为Imax=60A时的电流、转速变化曲线：Imax=120A时：改变转速PI调节器限幅值后，电机允许电流最大值改变，电机转速变化更加迅速，动态性能更好。
但是，一般来说电机允许电流最大值是不能改变的，为使电机动态性能更好，可以尽量将限幅值取得大，但必须小于允许电流最大值。
既然PI调节器能够大大改善电机调速性能，那么如果把电流调节器改用PI 调节器效果如何呢，下面做一仿真。
改正后的电流调节器有三个参数：比例系数Kp，积分系数Ki和阀值电流h。
这可以通过右键>Edit Mask，在Parameters下添加，如下图所示：添加完成后，该模块就产生了三个参数了，可以对其进行修改：下面看看电流调节器改为PI型后，当转速、转矩参考值均为常值时和均置为阶跃型时，画出系统的输出电流和转速变化曲线以作比较：常值：阶跃：由实验结果可见，转速调节效果与原系统没有太大区别，因为电流调节器采用了PI调节器，电流与原来相比出现了一些波动，启动电流相比较小，具体过程不再详述。
五．实验总结通过matlab的仿真，我们全组人员对双闭环控制系统的组成部分与各个模块的功能有了比较清晰的认识，而对仿真结果的分析也使得我们加深了对双闭环控制系统下电机性能的理解与认识，特别是对转速改变、转矩改变时过渡过程的分析，促使我们更加深入的去思考，去理解，巩固了理论知识。
转速PI调节器参数对系统性能的影响则可以通过仿真结果波形直观的表现出来，使我们印象更加深刻。
另外，我们对simulink有了一个更深的认识，对应用matlab对双闭环控制系统进行分析有了一个更深入的了解。
仿真过程中涌现了很多问题是通过在网上查找资料学习中解决的，还有一些同学的热心帮助，但是还有不少疑问与问题留着。
在以后的学习过程中，我们必须更加深入地学习如何使用matlab分析控制系统。
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