基于Simulink的机器人伺服控制系统设计及仿真.docx

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1、基于Simulink的机器人伺服控制系统设计及仿真基于Simulink的机器人伺服控制系统设计及仿真蔡大伟导语：本文以复杂的机器人的电液伺服控制系统作为研究对象，对电液伺服系统的在机器人上的应用建模和仿真。前言电液具有响应速度快、调速范围广、比功率大、耐用性高等优点，在车辆船舶、工程机械、武器系统等方面得到了广泛的应用。为了进展电液伺服系统的分析、仿真与控制，需要构造电液伺服系统的模型，但其固有的流量-压力曲线、液体压缩、电磁转换、饱和摩擦等非线性因素，使得难以获得电液伺服系统的准确模型。电液位置伺服系统主要是用于解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过实现被控量对给定量的及时和准确跟踪，并

2、要具有足够的控制精度。电液伺服系统的动态特性是衡量一套电液伺服系统设计及调试程度的重要指标。它由电信号处理装置和假设干液压元件组成，元件的动态性能互相影响，互相制约及系统本身所包含的非线性，致使其动态性能复杂。因此，电液伺服控制系统的设计及仿真受到越来越多的重视。本文以比例方向阀实现对伺服油缸的位置控制，参加位移构成位置闭环控制系统。采用NI公司的USB-6008数据收集卡完成数据收集、数据输出控制等多项功能，以LABVIEW和MATLAB混合编程实现了良好的实时控制功能。1、液压系统特性简述随着液压技术的不断开展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成

3、执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能知足要求。因此，当代液压系统设计研究人员对系统动态特性进展研究，理解和把握液压系统动态工作特性与参数变化，以进步系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态经过中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的经过变化以及外界干扰引起的。在此经过中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。系统动态特性主要表现为稳定性系统中压力瞬间峰值与波动情况以及过度过程品质执行、控制机构的响应品质和响应速度问题。液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实

4、验研究法和数字仿真法等。数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。先是建立液压系统动态经过的数字模型状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态经过的时域解。该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，进而获得对系统动态经过直接、全面的理解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进展验证与改良，保证系统的工作性能和可靠性，具有准确、适应性强、周期短以及费用低等优点。2、系统原理及建模2.1系统组成及原理电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进展控制输入和反应。只要输入某一规律的输入信号，执行元

5、件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。控制系统构造图如图1所示：图1电液位置伺服控制系统构造图2.2电液位置伺服系统建模建立电液伺服系统的传递函数，需要根据连续性方程、牛顿定律等物理法那么，分别对伺服阀、液压缸等环节建立函数表达式，并联立求出系统的传递函数。详细地，需要建立伺服阀方程、伺服阀流量方程、连续性方程和力平衡方程。2.2.1伺服阀方程伺服阀是具有复杂高阶非线性特性的器件。在实际中，通常可以将伺服阀简化等效为一阶系统低频或二阶系统高频：图2系统simulink动态仿真模型3、软件设计LABVIEW在线控制经过：首先进展数据收集，收集的数据是位移传感器的位移，转换为电压，送入数据

6、收集卡的模拟量输入端AI0，程序中对模拟输入通道进展配置，主要包括配置采样通道号、最大最小值以及采样方式(差分、单端)，并输出采样波形。接着是PID算法，要设定P、I、D的参数和输出的上下限，然后是模拟量的输出，程序中对模拟量输出通道配置，输出口配置为AO0口，并配置输出的最大最小值。经经过序运算后得到的数值送给伺服放大器的输入端，驱动伺服阀，使液压缸前进或者后退，完成对电液伺服系统的位置控制3。数据收集系统流程图如图3所示。图3收集系统流程图4、MATLAB仿真基于多层前向神经网络构造自动定深电液伺服系统的智能模型，隐含层节点数目为8，训练次数为1000次。由于神经网络参数初值的不确定会造成网络性能的不同，因此神经网络训练10次，均方根误差等性能指标取其平均值。神经网络可以较好的拟合电液伺服系统的动态特性，且模型具有较高的泛化才能仿真图如图4所示：图4电液伺服系统神经网络输出值和实际值5、结论电液伺服系统是一类典型的非线性系统，本文采用机理建模和智能建模方法为进一步实现电液伺服系统的控制奠定了根底。建模经过与仿真结果说明,对系统建立正确的数学模型并进展分析仿真，分析系统的动态特性，可以有效地预见系统的输出，到达对系统工作状态的理解，进步了设计和分析系统的效率，为进一步控制系统，进步响应速度和控制精度奠定了一定的根底。