柔性机械手臂控制系统设计课程设计报告.doc

指导教师评定成绩： 审定成绩： 自动控制原理课程设计报告 设计题目：柔性机械手臂控制系统设计 目 录 TOC \o 1-3 \h \u HYPERLINK \l _Toc9164 一、 设计题目 PAGEREF _Toc9164 2 HYPERLINK \l _Toc28371 二、 设计报告正文 PAGEREF _Toc28371 3 HYPERLINK \l _Toc25826 2.1 分析系统性能 PAGEREF _Toc25826 4 HYPERLINK \l _Toc25466 2.1.1 转动角的性能分析 PAGEREF _Toc25466 4 HYPERLINK \l _Toc21204 2.1.2 摆角的性能分析 PAGEREF _Toc21204 5 HYPERLINK \l _Toc23313 2.2 系统校正 PAGEREF _Toc23313 7 HYPERLINK \l _Toc14447 2.2.1 对转动角θ进行校正 PAGEREF _Toc14447 7 HYPERLINK \l _Toc4938 2.2.2 对摆角β进行校正 PAGEREF _Toc4938 10 HYPERLINK \l _Toc27209 三、 设计总结 PAGEREF _Toc27209 13 HYPERLINK \l _Toc11596 四、 参考文献 PAGEREF _Toc11596 13 设计题目 柔性机械手臂控制系统设计 传统的工业机器人为了保证可控性及刚度，机器臂一般比较粗大，为了降低质量，提高其控制响应速度，常采用柔性机器臂，如图1所示。为了使其响应又快又准，需要设计控制器对其进行控制，保证其性能。 图1 工业机器人手臂 已知：球体质量m=2KG，绕重心的转动惯量T0=0.15，半径为R=0.04m；传动系统惯性矩I=1kg.ms2，传动比为5；手臂为长L=0.2m，设手臂纵向弹性系数为E，截面惯性矩为I1，则E*I1=0.9KG/m2；手臂转动角为θ，摆角为β，绕度为x，F视为小球的惯性力,u为电机的输入电压，T为电机的输出的力矩，而电机的时间常数非常小，则输入电压与输出力矩可以近似为一个比例环节，设为K=10。系统结构图如图2所示。 图2柔性机械手自动控制系统结构图 分析系统时域、频域性能，绘制系统根轨迹、Bode图等； 设计超前校正网络，使系统超调量不超过7%、调节时间小于1s、稳态误差不超过1°； 分析校正后系统时域、频域性能 设计报告正文 摘要 本文主要根据给定的转动角和摆角的开环传递函数，用matlab编程画出相对应的系统时域、频域性能，绘制系统根轨迹、Bode图，从画出的图形中可以分析出，此开环传递函数不够稳定，因此，需要对开环传递函数进行校正。分析可知，可以用根轨迹校正法校正。首先对转动角θ进行校正，将转动角θ的开环传递函数去零点，并画出其根轨迹图。通过对K值的改变，画出了较为稳定的阶跃响应曲线。由图可知系统响应经过一段时间就可以达到稳定状态，但是其振荡次数较多且响应时间大，故可以通过增加偶极子来对系统的稳定性能进行改善。改善之后就变得更加稳定了。同样的，对摆角β进行校正可以用同样的方法，可以使其稳定。 关键词：开环传递函数 matlab编程 根轨迹校正法 偶极子 2.1 系统性能分析 根据设计题目要求及小组其他同学系统建模结果，电机转动角为θ对电机输入电压的传递函数为式（1），手臂摆角为β对电机输入电压的传递函数为式（2）。 (1) (2) 根据任务分工，本节主要由校正前系统建模与性能分析的同学负责。本文在此仅对相关结果进行简要分析。 2.1.1 转动角的性能分析 根据电机转动角传递函数，用matlab仿真其根轨迹特性如图4、阶跃响应的时域特性如图5、频域性能如图6所示。 图3 转动角校正前的流程图 图4 转动角校正前的根轨迹图 图5 转动角校正前的阶跃响应曲线 图6 转动角校正前的Bode图 由奈奎斯特稳定性判据： 当相角为-180°时，如果系统幅值小于或等于1，那么这个系统是稳定的。 在图6中，相位为-180°时，幅值约为40，则此系统不稳定。 由以上4个图可知，电机转动角为θ对电机输入电压的传递函数是不稳定的，发散的。因此需要校正。 2.1.2 摆角的性能分析 根据手臂摆角传递函数，用matlab仿真其根轨迹特性如图8、阶跃响应的时域特性如图9、频域性能如图10所示。 图7 摆角校正前的流程图 图8 摆角校正前的根轨迹图 图9 摆角校正前的阶跃响应曲线 图10 摆角校正前