機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于matlab的puma-262型機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　基于MATLAB的PUMA-262型機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研

2、究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p><b>　　本人簽名：</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 基于MATLAB的PUMA－262型機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

3、 </p><p>　　1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　　學(xué)生應(yīng)通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用所學(xué)過的基礎(chǔ)理論知識(shí)，在深入了解反饋控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，掌握機(jī)械系統(tǒng)建模、分析及校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的基本過程；初步掌握運(yùn)用MATLAB/Simulink相關(guān)模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的方法，為學(xué)生在畢業(yè)后從事機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作打

4、好基礎(chǔ)。</p><p>　　2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容</p><p>　?。?）根據(jù)已有的PUMA－262型機(jī)械手相關(guān)資料，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理進(jìn)行分析；</p><p>　　（2）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)；</p><p>　　（3）設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)；</p><p>　?。?）運(yùn)用MATLAB/SIM

5、ULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算；</p><p>　?。?）通過動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)；</p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 劉白燕等編,機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真-基于MATLAB/SIMULINK[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.7</p><p>　　[2] 王積偉，吳振順

6、等著，控制工程基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社2001.8</p><p>　　[3] 蔡自興：機(jī)器人學(xué) 清華大學(xué)出版社 2000.9</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　基于MATLAB的PUMA-262型機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　摘要;PUMA-262型機(jī)器人是美

7、國UNIMATION公司制造的一種精密輕型關(guān)節(jié)式通用機(jī)器人。本課題所研究的是基于MATLAB的PUMA-262型機(jī)械手系統(tǒng)控制進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真,通過對(duì)該機(jī)械手的機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)原理進(jìn)行了分析，建立了各關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。用MATLAB做出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能圖，最后，設(shè)計(jì)數(shù)字控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制,根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求做出相應(yīng)的離散響應(yīng)圖, 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行校正和仿真,以驗(yàn)證最后結(jié)果。</p><p>　　關(guān)鍵字：數(shù)學(xué)模型，PU

8、MA-262型機(jī)械手，控制器，PID校正，MATLAB仿真</p><p>　　The PUMA-262 Robot Control Cystem Based On MATLAB Design And Simulation</p><p><b>　　Abstract;</b></p><p>　　PUMA-262 robot is a kin

9、d of UNIMATION companies in the United States manufacturing precision lightweight universal joint type robot. What this topic research is a PUMA - 262 robot system based on MATLAB control design and simulation, based on

10、the mechanism and transmission principle of the manipulator are analyzed, Established the mathematical model of each joint. MATLAB to make the system dynamic performance figure, Finally, the design of digital control of

11、PID control system, according to the </p><p>　　Keywords: mathematics mode; PUMA-262 robot; control box; PID correction ; matlab simulink</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1

12、緒 論 …………………………………………………………………………………1</p><p>　　2 PUMA-262型機(jī)器人簡介 ……………………………………………………………… 3</p><p>　　2.1 PUMA-262型機(jī)器人的傳動(dòng)原理 ……………………………………………………5</p><p>　　2.2 PUMA-262型機(jī)器人的特點(diǎn) ………………………

13、…………………………………6</p><p>　　3 建立數(shù)學(xué)模型 …………………………………………………………………………7</p><p>　　4控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析………………………………………………………………13</p><p>　　4.1控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差…………………………………………………………………14</p><p>　

14、　4.2系統(tǒng)的抗干擾能力……………………………………………………………………15</p><p>　　4.3控制系統(tǒng)穩(wěn)定性………………………………………………………………………16</p><p>　　4.4控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能……………………………………………………………………17</p><p>　　5 數(shù)字控制器與PID控制……………………………………………………

15、…………29</p><p>　　5.1關(guān)節(jié)1的控制系統(tǒng)模擬化設(shè)計(jì)………………………………………………………29</p><p>　　5.2其他關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)模擬化設(shè)計(jì)……………………………………………………34</p><p>　　6 用MATLAB進(jìn)行仿真……………………………………………………………………51</p><p>　　6.1

16、在MATLAB環(huán)境下連續(xù)控制系統(tǒng)的時(shí)域圖…………………………………………51</p><p>　　6.2 用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真…………………………………………………………54</p><p>　　7總結(jié)與展望………………………………………………………………………………69</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………

17、……70</p><p>　　致 謝………………………………………………………………………………………71</p><p>　　附 錄………………………………………………………………………………………72</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　由于工業(yè)自動(dòng)化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對(duì)工

18、作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動(dòng)化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展

19、成為柔性制造系統(tǒng)（是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)，fms的工藝基礎(chǔ)是成組技術(shù)[11]，它按照成組的加工對(duì)象確定工藝過程，選擇相適應(yīng)的數(shù)控加工設(shè)備和工件、工具等物料的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制）fms和柔性制造單元（由一臺(tái)或數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動(dòng)更換刀具和夾具，加工不同的工件）fmc中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成

20、一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，</p><p>　　PUMA-262式機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新匯編程序的多功能機(jī)器。它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中的工作。工業(yè)機(jī)械手是近似自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。依據(jù)機(jī)械手的力學(xué)模型和動(dòng)態(tài)模型，使用MATLAB對(duì)其進(jìn)行了控制仿真。</p>&

21、lt;p>　　PUMA-262式機(jī)械手[13]是美國Unimation制造的一種精密輕型關(guān)節(jié)式通用機(jī)器人，它的設(shè)計(jì)具有傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕工作范圍大，適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)。主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的

22、位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需</p><p>　　有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。</p><p>　　PUMA-262式機(jī)械

23、手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟；</p><p>　?。?）建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；有輸入，輸出，中間變量的數(shù)學(xué)表達(dá)式；</p><p>　?。?）建立控制系統(tǒng)的仿真模型；由數(shù)字模型轉(zhuǎn)化成仿真模型；</p><p>　?。?）編制控制系統(tǒng)的仿真軟件；用仿真語言或C語言；</p><p>　　（4）進(jìn)行系統(tǒng)仿真并得出仿真結(jié)果；采用MATLAB工具箱。&l

24、t;/p><p>　　機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以

25、及帶有放射性和污染場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。</p><p>　　MATLAB是美國Mathworks公司于20世紀(jì)80年代推出的一款數(shù)學(xué)軟件，在剛推出時(shí)就以其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖形可視化功能在數(shù)學(xué)軟件中獨(dú)占鰲頭。2004年2月由Mathworks公司推出的MATLAB最新版本為6.5，經(jīng)過多年來的不斷努力，MATLAB已經(jīng)成為適合多學(xué)科、多種

26、工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具軟件。</p><p>　　MATLAB是一種用于工程計(jì)算的高性能程序設(shè)計(jì)語言，它集成了計(jì)算功能、符號(hào)運(yùn)算、數(shù)據(jù)可視化等功能，以及圖形用戶界面設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用程序接口技術(shù)，其代碼編寫過程與數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程的格式很接近，使得編程更加直觀和方便，該軟件的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：數(shù)值計(jì)算、算法開發(fā)、符號(hào)表達(dá)式運(yùn)算與推導(dǎo)、數(shù)學(xué)建模與仿真、數(shù)據(jù)分析和可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用開發(fā)等。</p

27、><p>　　總之，MATLAB作為一種計(jì)算工具和科技資源，可以擴(kuò)大科技研究的范圍，提高工程生產(chǎn)的效率，縮短開發(fā)周期，加快探索步伐，激發(fā)創(chuàng)作靈感。</p><p>　　2 PUMA-262型機(jī)器人簡介[13]</p><p>　　PUMA-262型機(jī)器人是美國UNIMATION公司制造的一種精密輕型關(guān)節(jié)式通用機(jī)器人。它具有六個(gè)關(guān)節(jié)度，即六個(gè)控制軸，采用直流伺服控制。它

28、的設(shè)計(jì)具有傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)小巧緊湊，重量輕；工作范圍大、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、電子、機(jī)械等工業(yè)，可用來從事包裝、材料配置、安裝以及小型機(jī)電元件的裝配、搬運(yùn)、噴涂、機(jī)械加載、實(shí)驗(yàn)、檢查等工作。它的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.1所示；</p><p>　　表2.1 PUMA-262型機(jī)器人主要設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　圖2.1表示了PUMA-262的外貌，旋轉(zhuǎn)軸的位置、數(shù)量、旋轉(zhuǎn)

29、角度范圍以及機(jī)器人本體的主要構(gòu)成部件和第1關(guān)節(jié)（腰關(guān)節(jié)）的齒輪組。它的主要構(gòu)成部件是，由立柱和機(jī)座組成的回轉(zhuǎn)機(jī)座（腰關(guān)節(jié)1）以及大臂、小臂、手腕等。機(jī)座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，小臂定位（零位）夾板，兩個(gè)控制手爪裝置的氣動(dòng)閥、在機(jī)座內(nèi)腔安置了關(guān)節(jié)1的兩極直圓柱齒輪支撐的減速齒輪組，即Z1/Z2和Z3/Z4。立柱為薄壁鋁管制成，內(nèi)部安裝了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座。大臂上裝有關(guān)節(jié)2、3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳

30、動(dòng)齒輪組，齒輪組傳動(dòng)細(xì)節(jié)可參見圖2-2。關(guān)節(jié)2、3都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐型齒輪，以改變傳動(dòng)方向90度。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié)2傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié)3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。</p><p>　　圖2.1 PUMA-262型機(jī)器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　小臂端部連接具有3R（關(guān)節(jié)4、5、6）手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4、5的驅(qū)動(dòng)電

31、機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，關(guān)節(jié)4、5均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié)5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向90度。關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪。關(guān)節(jié)4、5、6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。</p><p>　　圖2.2 2,3關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)</p><p&

32、gt;　　2.1 PUMA-262型機(jī)器人的傳動(dòng)原理[13]</p><p>　　圖2.3 PUMA-262機(jī)器人傳動(dòng)原理圖</p><p>　　表2.2六關(guān)節(jié)的傳動(dòng)路線</p><p>　　關(guān)節(jié)4的動(dòng)作原理 關(guān)節(jié)4（圖2.1）的功能是使手腕作橫滾運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)4電機(jī)的支流伺服電機(jī)安裝在小臂的后端，其輸出軸先經(jīng)1級(jí)齒輪減速傳動(dòng)Z17/Z18后，借連軸器和連接軸將減速后

33、的轉(zhuǎn)動(dòng)再傳遞到第2級(jí)齒輪副Z19/Z20減速傳動(dòng)，齒輪Z20具有一個(gè)大直徑空心軸筒作為關(guān)節(jié)5和6的傳動(dòng)支撐骨架，因此齒輪Z20的轉(zhuǎn)動(dòng)使得關(guān)節(jié)5和6隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，就實(shí)現(xiàn)了手腕作繞軸線的橫滾運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　關(guān)節(jié)5的動(dòng)作原理 關(guān)節(jié)5（圖2.1）的功能是使手腕作俯仰運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)5的直流伺服電機(jī)也安裝在小臂的后端，其輸出軸先借聯(lián)軸器和連接軸將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到第一級(jí)齒輪副Z21/Z22減速傳動(dòng)，齒輪Z22具有一個(gè)較小直徑空心

34、軸穿過齒輪Z20的大直徑空心軸筒的中心軸孔進(jìn)入手腕外殼內(nèi)部，齒輪Z22空心軸的前端安裝一圓錐齒輪Z23與另一圓錐齒輪Z24相嚙合，作第二級(jí)減速，同時(shí)，圓錐齒輪Z24與手腕殼體固裝在一起，從而帶動(dòng)腕殼整體作繞 軸線的俯仰運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　關(guān)節(jié)6的動(dòng)作原理 關(guān)節(jié)6（圖2.1）的功能是使手腕做繞 軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)5不同，關(guān)節(jié)5的直流伺服電動(dòng)機(jī)安裝在小臂中間靠前端位置處，因此關(guān)節(jié)6驅(qū)動(dòng)距離最短，這

35、種運(yùn)動(dòng)不是手腕側(cè)擺運(yùn)動(dòng)，而且與共軸線時(shí)還會(huì)使手部空間自由度退化為5個(gè)。</p><p>　　2.2 PUMA-262型機(jī)器人的特點(diǎn)</p><p>　?。?）大、小臂均采用薄壁與整體骨架構(gòu)成的結(jié)構(gòu)型式，有利于提高剛度，減輕質(zhì)量。內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，

36、使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。</p><p>　　（2）軸承外型環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，軸承外環(huán)采用端面打沖定位的方法。</p><p>　?。?）采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。</p><p>　?。?）有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。</p><p>　?。?）大、小臂，手腕

37、部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5MM間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減輕。</p><p>　　（6）工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA-262除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是它的手臂長度所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，最大的達(dá)578度，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性很強(qiáng)。</p><p>　?。?）由于結(jié)構(gòu)上采取

38、了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度較高。</p><p>　　3 建立數(shù)學(xué)模型[6]</p><p>　　通過圖2-1所示，我們對(duì)PUMA-262型機(jī)械手的傳動(dòng)原理進(jìn)行分析，考慮到數(shù)學(xué)建模的建立，須對(duì)6個(gè)關(guān)節(jié)作獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型分析，但從原理分析發(fā)現(xiàn)6個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)系統(tǒng)具有相同或形似的特點(diǎn)。因此，我們先做出一個(gè)基本模型。然后再對(duì)6關(guān)節(jié)

39、逐一進(jìn)行具體分析，基本關(guān)節(jié)的電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)變速器結(jié)構(gòu)如圖3.1；</p><p><b>　　（）</b></p><p><b>　?。ǎ?</b></p><p>　　圖3.1 基本關(guān)節(jié)的電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)變速器結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖中， 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)慣量； 電動(dòng)機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣

40、量；</p><p>　　電動(dòng)機(jī)側(cè)阻尼系數(shù)； 負(fù)載側(cè)的阻尼系數(shù)（包括負(fù)載）；</p><p>　　負(fù)載側(cè)的轉(zhuǎn)矩（等效至電動(dòng)機(jī)軸）; 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　重力轉(zhuǎn)矩（等效至電動(dòng)機(jī)軸）</p><p><b>　　減速比;均為角位移</b></p><p>　　(1)關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)器和齒

41、輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖如下：</p><p>　　圖3.2 關(guān)節(jié)1的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　在該圖3.2我們可以看到系統(tǒng)屬于二級(jí)傳動(dòng)，首先我們把第二級(jí)傳動(dòng)軸上的各種參數(shù)等效至第二級(jí)傳動(dòng)軸。圖中各參數(shù)含義見基本模型示例。</p><p>　　首先對(duì)第二級(jí)進(jìn)行等效變換，將其變換到第一級(jí)傳動(dòng)軸上；</p><p>　　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

42、 (3.1)</p><p>　　等效粘性阻尼系數(shù)； (3.2)</p><p>　　等效角位移； (3.3)</p><p>　　等效轉(zhuǎn)矩 ；

43、 (3.4)</p><p>　　其次,根據(jù)基本模型,我們?cè)賹⒃诘谝患?jí)傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩等效變換至電動(dòng)機(jī)軸上</p><p>　　即有； (3.5)</p><p>　　最后,我們可以得出與基本模型參數(shù)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)1的參數(shù)等效式，如下：</p><p>　　電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 電動(dòng)機(jī)

44、側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；</p><p>　　負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；;電動(dòng)機(jī)側(cè)阻尼系數(shù)；</p><p><b>　　負(fù)載側(cè)阻尼系數(shù)；</b></p><p><b>　　輸出角位移 ； </b></p><p>　　減速比； (3.6)</p><p&g

45、t;　　(2)關(guān)節(jié)2的驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖如下：</p><p>　　圖3.3 關(guān)節(jié)2的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　我們可以看到該模型屬于三級(jí)傳動(dòng)；</p><p>　　首先，我們將第三級(jí)各參量等效變換至第二級(jí)傳動(dòng)軸上。據(jù)等效變換法則，由關(guān)節(jié)1知：</p><p><b>　　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ；</b></

46、p><p><b>　　等效粘性阻尼系數(shù)；</b></p><p><b>　　等效角位移 ；</b></p><p><b>　　等效轉(zhuǎn)矩 ；</b></p><p>　　其次，我們將第二級(jí)疊加后再等效變換至第一級(jí)傳動(dòng)軸上，即：</p><p><b

47、>　　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ； </b></p><p>　　等效粘性阻尼系數(shù) ； </p><p><b>　　等效角位移；</b></p><p><b>　　等效轉(zhuǎn)矩； </b></p><p>　　再次，根據(jù)基本數(shù)學(xué)模型，我們?cè)賹⒌谝患?jí)傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩等效變換至電動(dòng)機(jī)軸上，即有：

48、</p><p>　　最后，我們得出與基本模型參數(shù)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)2的參數(shù)等效式，如下：</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; </p><p>　　電動(dòng)機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; </p><p><b>　　負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; </b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)側(cè)阻尼系數(shù); </p><p&

49、gt;<b>　　負(fù)載側(cè)阻尼系數(shù); </b></p><p><b>　　輸出角位移</b></p><p>　　負(fù)載側(cè)轉(zhuǎn)矩（等效至電動(dòng)機(jī)軸）; </p><p><b>　　電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩; </b></p><p><b>　　摩擦力轉(zhuǎn)矩 ; </b>

50、</p><p><b>　　重力轉(zhuǎn)矩 ; </b></p><p><b>　　減速比 </b></p><p>　　所以，通過對(duì)關(guān)節(jié)1,2傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，我們發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)4,5與關(guān)節(jié)1相似，關(guān)節(jié)5,6與關(guān)節(jié)2相似，我們這里僅列出它們的驅(qū)動(dòng)器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖。</p><p>　　(3)關(guān)節(jié)3的

51、驅(qū)動(dòng)器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖如下； </p><p>　　圖3.4 關(guān)節(jié)3的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　(4)關(guān)節(jié)4的驅(qū)動(dòng)器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖如下；</p><p>　　圖3.5 關(guān)節(jié)4的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　(5)關(guān)節(jié)5的驅(qū)動(dòng)器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖如下；</p><p>　　圖3.6 關(guān)節(jié)5的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡

52、圖</p><p>　　(6)關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖如下； </p><p>　　圖3.7 關(guān)節(jié)6的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　6條傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)系統(tǒng)原理我們可以得到各關(guān)節(jié)傳動(dòng)比的測試數(shù)據(jù)如表所示[13]: </p><p>　　表3.1 各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)比 </p><p>　　注；關(guān)節(jié)4的轉(zhuǎn)角90

53、6;，第一級(jí)齒輪輸出軸12轉(zhuǎn)角2130.67°，其傳動(dòng)比i2為第一級(jí)齒輪傳動(dòng)比，其數(shù)據(jù)為；</p><p>　　i2=2130.67/90=5.92 </p><p>　　i1=Z17/Z18=105/13=8.08 </p><p>　　∴ i1*i2=5.92*8.08=47.83</p><p>　　除關(guān)節(jié)1通過打開底蓋測得

54、傳動(dòng)齒輪的尺寸求得傳動(dòng)比以為，其余關(guān)節(jié)均由測量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，由它們的角度比求得響應(yīng)傳動(dòng)比。</p><p>　　4 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析</p><p>　　我們知道，該模型是由6個(gè)關(guān)節(jié)構(gòu)成的，而又由于這6個(gè)關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)在分析時(shí)，具有十分相似的過程，只是在具體數(shù)值上不一致，所以我們用兩級(jí)傳動(dòng)的關(guān)節(jié)1來進(jìn)行示例分析。需要說明的是，須兩級(jí)傳動(dòng)的關(guān)節(jié)1、4、

55、5運(yùn)用U9M4M型電動(dòng)機(jī)測速機(jī)；屬三級(jí)傳動(dòng)的關(guān)節(jié)2、3、6運(yùn)用U12M4T型電動(dòng)機(jī)測速機(jī)。下面我們就來以關(guān)節(jié)1為例進(jìn)行示例分析。如表所示為6個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)用數(shù)據(jù)[13]：</p><p>　　表4.1 電動(dòng)機(jī)測速機(jī)組參數(shù)</p><p>　　表4.2 6關(guān)節(jié)的有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效阻尼系數(shù)</p><p>　　關(guān)節(jié)1的連續(xù)控制系統(tǒng)簡圖如下： </p><

56、p>　　- </p><p>　　圖4.1關(guān)節(jié)1的控制簡圖</p><p><b>　　在圖4-1中： </b></p><p><b>　　(4.1)</b></p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　

57、　該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p><b>　　誤差傳遞函數(shù)為：</b></p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　對(duì)于干擾的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>

58、;　　(4.5)</b></p><p>　　這就說明干擾信號(hào)在給定信號(hào)作用下對(duì)輸出產(chǎn)生的誤差為。</p><p>　　4．1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差</p><p>　　對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)總是希望輸出值在要求的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確的達(dá)到給定值，其準(zhǔn)確度的衡量就是誤差的大小。所以穩(wěn)態(tài)誤差的定義為當(dāng)給定信號(hào)作用后，其時(shí)間趨于無窮大（實(shí)際上是一定時(shí)間）時(shí)被控對(duì)象的要求值和實(shí)

59、際值之差，即；</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　對(duì)于本課題來由于,則此時(shí)偏差為; (4.7) 所以當(dāng)時(shí)，偏差大小不一樣，但是它們之間具有確定的關(guān)系，因此偏差可以衡量穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差大小不僅與外作用有關(guān)，而且與內(nèi)部固有的屬性和有關(guān)，還與設(shè)計(jì)的控制器有關(guān)。<

60、;/p><p>　　對(duì)于本課題，由于輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)，則;</p><p>　　(4.8) </p><p>　　根據(jù)變換的終值定理，則有位置誤差為;</p><p><b>　　(4.9)</b></p><p>　　式中，稱為位置誤差系數(shù)，它是控制系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)?？梢?/p>

61、系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，要減小穩(wěn)態(tài)誤差，則要增大，控制的大小就控制了穩(wěn)態(tài)誤差。我們看到，由于并不確定是否含有或者含有多少積分環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)的位置誤差難以確定。對(duì)于本課題來講，由于輸入，我們可以認(rèn)為系統(tǒng)輸入信號(hào)為單位速度信號(hào)時(shí)，則于是速度誤差為： (4.10)</p><p><b>　　即；；。</b></p>&l

62、t;p>　　式中，稱為系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，的大小表示對(duì)其系統(tǒng)在速度輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)速度誤差的大小。由于系統(tǒng)是零型系統(tǒng)，則，因此，我們得出結(jié)論：零型系統(tǒng)跟蹤速度的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大時(shí)，系統(tǒng)無法工作。</p><p>　　4．2 系統(tǒng)的抗干擾能力</p><p>　　一個(gè)系統(tǒng)不僅要滿足穩(wěn)態(tài)誤差的要求，而且還必須具有抗干擾的能力。干擾在實(shí)際中總是存在的。干擾作用于系統(tǒng)稱為擾動(dòng)作用。擾動(dòng)作用將使系

63、統(tǒng)輸出量偏離要求值而出現(xiàn)誤差，這種誤差成為系統(tǒng)的擾動(dòng)誤差，常以穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)誤差來衡量。記為。抗干擾能力就是說在干擾的作用下，其為零或減到最小。對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)的干擾往往是在被測對(duì)象和測量環(huán)節(jié)上。對(duì)于采樣控制系統(tǒng)，由擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差得; （4.11）</p><p>　　由此可以看出，擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小取決于擾動(dòng)的性質(zhì)和系統(tǒng)的內(nèi)部屬性，即擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差不僅與開環(huán)傳遞函數(shù)有關(guān)，而且

64、還與和有關(guān)。為了使等于0或減小，應(yīng)根據(jù)的性質(zhì)增加積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)或放大系數(shù)來考慮。是擾動(dòng)作用點(diǎn)到輸出之間的前向通道傳遞函數(shù)。擾動(dòng)作用點(diǎn)不同，則前向通道傳遞函數(shù)也不同，則有所不同。</p><p>　　對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)，由擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差可以得出：</p><p>　　即；；我們可以認(rèn)為這樣有：</p><p>　　4．3 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性</p><

65、;p>　　在控制系統(tǒng)性能指標(biāo)中，系統(tǒng)穩(wěn)定是一個(gè)先決條件，一個(gè)不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能正常工作的，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的破壞，所以穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)。穩(wěn)定性的基本物理概念是系統(tǒng)在給定信號(hào)作用下，其系統(tǒng)的輸出不是隨時(shí)間而發(fā)散的或者是不震蕩。當(dāng)在系統(tǒng)受到外界或內(nèi)部的一些因素引起的擾動(dòng)作用下，其系統(tǒng)仍能正常工作。且當(dāng)擾動(dòng)取消后，系統(tǒng)能回到原來的平衡狀態(tài)。</p><p>　　控制理論為我們提供了多種判別系統(tǒng)穩(wěn)

66、定性的準(zhǔn)則，也稱為系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性是由要確定系統(tǒng)特征方程是否全部具有負(fù)的實(shí)根，或者說特征根是否全部位于[s]平面的虛軸左側(cè)。判別系統(tǒng)是否穩(wěn)定，有兩種選擇：一是解特征方程確定特征根，這對(duì)于高階系統(tǒng)來說是困難的。二是討論根的分布，研究特征方程是否包含右根及幾個(gè)右根。勞斯穩(wěn)定判據(jù)是基于特征方程根的分布與系數(shù)間的關(guān)系來判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無需解特征方程而能夠迅速判定根的分布情況。這是實(shí)用而簡單的穩(wěn)定性判據(jù)。</p>

67、<p><b>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式； 957</p><p>　　根據(jù)二階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)： 特征方程式的系數(shù)全部為正值，則可得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是：</p><p>　??； 而式中 ；即;系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)</p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

68、性能</p><p>　　控制信號(hào)在給定信號(hào)作用之下希望快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)前的過程稱為態(tài)過程或過渡過程。描述這個(gè)過程中輸出響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征的參數(shù)，稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。</p><p>　　下面我們就一些常用的性能指標(biāo)作為常規(guī)性的定義和描述：</p><p>　　(1) 延遲時(shí)間：響應(yīng)曲線從零上升到穩(wěn)態(tài)希望植的一半所需要的時(shí)間。</p><p>

69、;　　(2) 上升時(shí)間：響應(yīng)曲線從零上升到穩(wěn)態(tài)希望值所需要的時(shí)間。</p><p>　　(3) 峰值時(shí)間：響應(yīng)曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。</p><p>　　(4) 超調(diào)量：響應(yīng)曲線上超出穩(wěn)態(tài)希望值的最大偏離量和穩(wěn)態(tài)希望值之比。</p><p>　　(5) 調(diào)整時(shí)間：理論上，系統(tǒng)的輸入量完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要無限長的時(shí)間。實(shí)際工作中允許輸出量有一個(gè)誤差范圍，系統(tǒng)

70、的輸出量進(jìn)入這一范圍就認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)。在響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)希望值附近取作為誤差帶。響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出誤差帶范圍所需要的時(shí)間稱為調(diào)整時(shí)間。</p><p>　　(6) 穩(wěn)態(tài)誤差：穩(wěn)態(tài)誤差表示系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后輸出量的希望值與實(shí)際值之差。</p><p>　　上述六項(xiàng)性能指標(biāo)中，延遲時(shí)間、上升時(shí)間和峰值時(shí)間均表征系統(tǒng)響應(yīng)初始階段的快慢；調(diào)整時(shí)間表示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程持續(xù)的時(shí)間，從總體反映了系統(tǒng)的

71、快速性；超調(diào)量反映了系統(tǒng)響應(yīng)過程的平穩(wěn)性；穩(wěn)態(tài)誤差是控制精度的量度。</p><p>　　關(guān)節(jié)1的連續(xù)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)簡圖如下：</p><p>　　- </p><p>　　圖4.4關(guān)節(jié)1的連續(xù)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)簡圖</p><p><b>　　(4.12)</b></p><p>　

72、　控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析；</p><p>　　這樣，我們可以運(yùn)用軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的模擬;</p><p>　　num=[0,0,6.1];</p><p>　　den=[957,336,374];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p>　　t=0:0.01:30;</p&g

73、t;<p>　　c=step(G,t);%動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅值</p><p>　　plot(t,c);</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　[y,x,t]=step(num,den,t);</p><p>　　maxy=max(y);</p><p>　　ys

74、=y(length(t));</p><p>　　pos=(maxy-ys)/ys;</p><p>　　n=1; %求超調(diào)量mp</p><p>　　while y(n)<0.5*ys</p><p>　　n=n+1;end; 圖4.5 關(guān)節(jié)1的動(dòng)態(tài)性能圖</p>

75、<p>　　td=t(n);%求取延時(shí)時(shí)間</p><p>　　n=1; </p><p>　　while y(n)<ys </p><p><b>　　n=n+1;end</b></p>&l

76、t;p>　　tr=t(n);%求取上升時(shí)間tr</p><p>　　n=1; </p><p>　　while y(n)<maxy </p><p><b>　　n=n+1;end</b></p><p>　　tp=t(n); %求

77、取峰值時(shí)間tp</p><p>　　L=length(t);</p><p>　　while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.05*ys)</p><p>　　L=L-1;end; Ts=t(L); %求取調(diào)節(jié)時(shí)間ts</p><p>　　關(guān)節(jié)2的連續(xù)控制系統(tǒng)簡圖如下：</p><p&g

78、t;　　- </p><p>　　圖4.6 關(guān)節(jié)2的連續(xù)控制系統(tǒng)簡圖</p><p>　　該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)由（4.3）得：</p><p>　　誤差傳遞函數(shù)由（4.4）得：</p><p>　　對(duì)于干擾的傳遞函數(shù)由（4.5）得：</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析由（4.10）得；<

79、;/p><p><b>　　速度誤差為：</b></p><p><b>　　即； </b></p><p>　　式中，稱為系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，的大小表示對(duì)其系統(tǒng)在速度輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)速度誤差的大小。由于系統(tǒng)是零型系統(tǒng)，則，因此，我們得出結(jié)論：零型系統(tǒng)跟蹤速度的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大時(shí)，系統(tǒng)無法工作。系統(tǒng)的抗干擾能力分析；&

80、lt;/p><p>　　對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)，由擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差可得：</p><p><b>　　即；</b></p><p>　　我們可以認(rèn)為這樣有：;控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析；</p><p>　　對(duì)于關(guān)節(jié)2，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（4.13）</b&

81、gt;</p><p>　　這樣，我們可以運(yùn)用軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的模擬;</p><p>　　num=[0,0,14.4];</p><p>　　den=[1030,146.7,3.44];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p>　　t=0.1:0.05:500;</p>

82、<p>　　c=step(G,t);</p><p>　　plot(t,c); </p><p><b>　　grid</b></p><p>　　[y,x,t]=step(num,den,t);</p><p>　　maxy=max(y);</p><p>　　ys=y(length(

83、t)); </p><p>　　pos=(maxy-ys)/ys;</p><p><b>　　n=1;</b></p><p>　　while y(n)<0.5*ys 圖4.7 關(guān)節(jié)2的動(dòng)態(tài)性能圖</p><p>　　n=n+1;end;</p><

84、p><b>　　td=t(n);</b></p><p><b>　　n=1;</b></p><p>　　while y(n)<ys </p><p>　　n=n+1;end

85、 </p><p><b>　　tr=t(n);</b></p><p><b>　　n=1;</b></p><p>　　while y(n)<maxy</p><p><b>　　n=n+1;end</b></p><p><b&g

86、t;　　tp=t(n);</b></p><p>　　L=length(t);</p><p>　　while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.05*ys)</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；</p><p><b>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</b></p>

87、<p>　　則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式； </p><p>　　根據(jù)二階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)，特征方程式的系數(shù)全部為正值，則可得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是；</p><p>　??；而式中； 即；系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。</p><p>　　同上，關(guān)節(jié)3的連續(xù)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　誤差傳遞函

88、數(shù)為：</b></p><p>　　對(duì)于干擾的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析；</p><p><b>　　速度誤差為：</b></p><p><b>　　即；</b></p><p>　　式中，稱為系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，的大小表示對(duì)其系

89、統(tǒng)在速度輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)速度誤差的大小。由于系統(tǒng)是零型系統(tǒng)，則，因此，我們得出結(jié)論：零型系統(tǒng)跟蹤速度的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大時(shí)，系統(tǒng)無法工作。系統(tǒng)的抗干擾能力分析；</p><p>　　對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)，由擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差可以得出：</p><p><b>　　即；</b></p><p>　　我們可以認(rèn)為這樣有：</p><p&g

90、t;　　對(duì)于關(guān)節(jié)3，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　這樣，我們可以運(yùn)用軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的模擬;</p><p>　　num=[0,0,14.4];</p><p>　　den=[905.7,616.7,5.69];</p><p>

91、　　G=tf(num,den);</p><p>　　t=0.1:0.05:1000; </p><p>　　c=step(G,t);</p><p>　　plot(t,c);</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　[y,x,t]=step(num,den,t);<

92、;/p><p>　　maxy=max(y);</p><p>　　ys=y(length(t)); </p><p>　　pos=(maxy-ys)/ys;</p><p><b>　　n=1;</b></p><p>　　while y(n)<0.5*ys

93、圖4.8 關(guān)節(jié)3的動(dòng)態(tài)性能圖</p><p>　　n=n+1;end;</p><p><b>　　td=t(n);</b></p><p><b>　　n=1</b></p><p>　　while y(n)<ys </p><

94、;p>　　n=n+1;end </p><p><b>　　tr=t(n);</b></p><p><b>　　n=1;</b></p><p>　　while y(n)<maxy</p><p><b>　　n=n+1;e

95、nd</b></p><p><b>　　tp=t(n);</b></p><p>　　L=length(t);</p><p>　　while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.05*ys) </p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；</p&

96、gt;<p><b>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)為： </b></p><p>　　則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式；</p><p>　　根據(jù)二階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)，特征方程式的系數(shù)全部為正值，則可得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是：</p><p>　??；而式中； 即；系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。</p><p>　　同上，關(guān)節(jié)4的連續(xù)

97、控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　誤差傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　對(duì)于干擾的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析；</p><p><b>　　速度誤差為：</b></p><p><b>　　即；</b

98、></p><p>　　式中，稱為系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，的大小表示對(duì)其系統(tǒng)在速度輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)速度誤差的大小。由于系統(tǒng)是零型系統(tǒng)，則，因此，我們得出結(jié)論：零型系統(tǒng)跟蹤速度的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大時(shí)，系統(tǒng)無法工作。系統(tǒng)的抗干擾能力分析；</p><p>　　對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)，由擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差可以得出：</p><p><b>　　即；</b>&l

99、t;/p><p>　　我們可以認(rèn)為這樣有：控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析；</p><p>　　對(duì)于關(guān)節(jié)4，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（4.15）</b></p><p>　　這樣，我們可以運(yùn)用軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的模擬;</p><p>　　num=[0,0,14.4];<

100、;/p><p>　　den=[23.4,12.84,0.19];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p>　　t=0.1:0.05:500;</p><p>　　c=step(G,t);</p><p>　　plot(t,c); </p><p><b>　　gr

101、id</b></p><p>　　[y,x,t]=step(num,den,t); </p><p>　　maxy=max(y);</p><p>　　ys=y(length(t));</p><p>　　pos=(maxy-ys)/ys;</p><p><b>　　n=1;</b>

102、</p><p>　　while y(n)<0.5*ys</p><p>　　n=n+1;end;</p><p><b>　　td=t(n);</b></p><p><b>　　n=1;</b></p><p>　　while y(n)<ys

103、 </p><p><b>　　n=n+1;end</b></p><p>　　tr=t(n); </p><p>　　n=1; 圖4.9 關(guān)節(jié)4的動(dòng)態(tài)性能圖</p><p&g

104、t;　　while y(n)<maxy</p><p><b>　　n=n+1;end</b></p><p><b>　　tp=t(n);</b></p><p>　　L=length(t);</p><p>　　while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.

105、05*ys)</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；</p><p><b>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)為： </b></p><p>　　則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式; </p><p>　　根據(jù)二階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)，特征方程式的系數(shù)全部為正值。則可得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是：</p><p>　?。?

106、而式中； 即；系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)節(jié)5的連續(xù)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　誤差傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　對(duì)于干擾N(s)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析；</p><p><b>　　速度誤差

107、為 ； </b></p><p>　　即； </p><p>　　式中，稱為系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，的大小表示對(duì)其系統(tǒng)在速度輸入時(shí)穩(wěn)態(tài)速度誤差的大小。由于系統(tǒng)是零型系統(tǒng)，則，因此，我們得出結(jié)論：零型系統(tǒng)跟蹤速度的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大時(shí)，系統(tǒng)無法工作。系統(tǒng)的抗干擾能力分析；</p><p>　　對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)，由擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差可以得出：<

108、/p><p><b>　　即；</b></p><p>　　我們可以認(rèn)為這樣有：</p><p>　　控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析；</p><p>　　對(duì)于關(guān)節(jié)5，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　

109、這樣，我們可以運(yùn)用軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的模擬；</p><p>　　num=[0,0,6.1];</p><p>　　den=[11.4,11.42,0.18];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p>　　t=0.1:0.05:500;</p><p>　　c=step(G,t); <

110、;/p><p>　　plot(t,c);</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　[y,x,t]=step(num,den,t);</p><p>　　maxy=max(y);</p><p>　　ys=y(length(t));</p><p>　　

111、pos=(maxy-ys)/ys;</p><p><b>　　n=1;</b></p><p>　　while y(n)<0.5*ys 圖4.10 關(guān)節(jié)5的動(dòng)態(tài)性能圖</p><p>　　n=n+1;end;</p><p>　　td=t(n); n=1;

112、 </p><p>　　while y(n)<ys;n=n+1;end</p><p>　　tr=t(n);n=1;</p><p>　　while y(n)<maxy;n=n+1;end</p><p>　　tp=t(n);L=length(t);</p><p>

113、　　while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.05*ys)</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；</p><p>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)為： </p><p>　　則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式； </p><p>　　根據(jù)二階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)， 特征方程式的系數(shù)全部為正值，則可得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是：&l

114、t;/p><p>　?。欢街?； 即；系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)節(jié)6的連續(xù)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　誤差傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　對(duì)于干擾的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析；</p><

115、;p><b>　　速度誤差為：</b></p><p><b>　　即； </b></p><p>　　式中，稱為系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，的大小表示對(duì)其系統(tǒng)在速度輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)速度誤差的大小。由于系統(tǒng)是零型系統(tǒng)，則，因此，我們得出結(jié)論：零型系統(tǒng)跟蹤速度的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大時(shí)，系統(tǒng)無法工作。</p><p>　　系統(tǒng)

116、的抗干擾能力分析；</p><p>　　對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)，由擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差可以得出：</p><p><b>　　即； </b></p><p>　　我們可以認(rèn)為這樣有：控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析；</p><p>　　對(duì)于關(guān)節(jié)6，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　

117、?。?.17）</b></p><p>　　這樣，我們可以運(yùn)用軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的模擬；</p><p>　　num=[0,0,14.4];</p><p>　　den=[112.3,103.7,1.56];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p>　　t=0.1:0.05:5

118、00;</p><p>　　c=step(G,t);</p><p>　　plot(t,c);grid</p><p>　　[y,x,t]=step(num,den,t);</p><p>　　maxy=max(y); </p><p>　　ys=y(length(t));</p><p>　　

119、pos=(maxy-ys)/ys;n=1; </p><p>　　while y(n)<0.5*ys</p><p>　　n=n+1;end;td=t(n);n=1;</p><p>　　while y(n)<ys 圖4.11 關(guān)節(jié)6的動(dòng)態(tài)性能圖</p><p>　　n=n+1;en

120、d;tr=t(n);n=1; </p><p>　　while y(n)<maxy;n=n+1;end</p><p>　　tp=t(n);L=length(t);</p><p>　　while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.05*ys) </p><p>　　控制系

121、統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；</p><p><b>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)為： </b></p><p>　　則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式；</p><p>　　根據(jù)二階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)，特征方程式的系數(shù)全部為正值，則可得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件可即；</p><p>　　; 而式中 ; 系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。</p>

122、<p>　　5 數(shù)字控制器與PID控制</p><p>　　數(shù)字控制系統(tǒng)是一種以數(shù)字計(jì)算機(jī)為控制器去控制具有連續(xù)工作狀態(tài)的被控對(duì)象的閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，每隔秒進(jìn)行一次控制修正，稱為采樣周期。在每個(gè)采樣周期中，控制器要完成對(duì)于連續(xù)信號(hào)的采樣編碼（即A/D過程）和按控制規(guī)律進(jìn)行的數(shù)碼運(yùn)算，然后將計(jì)算結(jié)果由輸出寄存器經(jīng)解碼網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)碼轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)（D/A過程）。因此，A/D

123、轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的兩個(gè)特殊環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖5.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型原理圖</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器;是把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)的裝置。A/D轉(zhuǎn)換包括兩個(gè)過程：一是采樣過程，即每隔秒對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行一次采樣得到采樣后的離散信號(hào)，所以數(shù)字計(jì)算機(jī)中的信號(hào)在時(shí)間上是不連續(xù)的；二是量化過程，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)中，任何數(shù)值的離散信號(hào)必須表示成最小位二進(jìn)