基于MATLAB的仓储机械手控制系统设计与仿真

I目录1绪论.11.1前言.11.2机械手的发展历史.11.3机械手的发展趋势.41.4选题背景及课题意义.42机械手介绍.62.1机械手组成及其工作原理.72.1.1执行机构.72.1.2驱动机构.82.1.3控制机构.92.2机械手运动学分析.93机械手控制系统设计.163.1系统各环节建模.163.1.1变频器环节.163.1.2交流异步电动机环节.173.1.3速度检测环节.183.1.4转速到角位移转换环节.183.1.5位置反馈检测环节.183.1.6PI调节器.184利用MATLAB仿真.204.1软件介绍.204.2变频器参数.214.3交流异步电动机参数.214.4速度环节的仿真.224.5位移环节的仿真.23结论.25参考文献.26致谢.2701绪论1.1前言机械手是一种能模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能性和适应性。机械手作业的准确性和在很多环境恶劣中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：(1)它能部分的代替人工操作,实现机械化作业；(2)它能按照生产工艺的要求，遵循一定的指令，按照指定的路径完成工件的传送和装卸；(3)它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手的应用备受很多国家的重视，使其投入大量的人力物力来研究和应用，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。随着机械手在制造业中应用越来越广泛，人们对其工作的精度要求也越来越高，这就需要机械手有很稳定的控制系统。为了实际机械手控制系统的设计方便，我们利用MATLAB软件进行仿真模拟。仿真技术利用系统模型对实际或设想的系统进行试验研究，其应用已经扩大为产品研制的全过程，包括方案论证、设计分析、生产制造等各个阶段。MATLAB是一种可视化的具有强大矩阵计算能力的编程语言，在工业研究、产品开发、数值分析和科学计算等工程及科学方面的教学与研究中是一个十分有效的工具。1.2机械手的发展历史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、1能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。(1)国外机械手的发展历史1954年，被称为“机器人之父”的美国科学家Georgedevol取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行从一点到另一点的受控运动，这被认为是“机器人时代”的开始。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手，是一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1970年，机器人学界早期的改革家之一，victorschenman在斯坦福大学演示了一种计算机控制的机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。日本国也在1967年开始进口机器人，当时日本经济大发展，许多企业一齐开始了对机器人的开发，日本梨山大学研制成功了SCARA水平关节结构机器人。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。美国生产的PUMA（美洲虎）型装配机器人有小型（200）、中型（500）和大型（700）三种。它有六个自由度，各轴均由直流伺服电机驱动，采用齿轮减速机构。控制装置采用LSI11/2型微机，串行接口在微机与终端、外部存储器、示教盒之间2建立通讯，并行接口与机器人本体控制回路相连。PUMA适用于点位式、连续轨迹式工件方向控制等多种控制方式，重复定位精度为0.05mm，动作速度可达1.5m/s,具有视觉、触觉、力觉等传感器，可以协同控制。机构具有顺应性，可以吸收装配中的水平误差和倾角误差。第三代机械手则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingsystem)和柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。近年来，机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国家，尤其在日本，有了广泛的应用。由机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。这些应用在很大程度是哪个激发了人们对机械手的研究和开发，它的技术也因此取得了长足的进步。80年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务。海洋开发、地下采矿、救灾抢险等领域的机器人。应用这些领域的机器人，绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的。由于人类活动领域的不断扩大，人们对非织造业用机械手的研究空前活跃起来。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自主规划能力等。目前，机械手技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手，并已经取得了一些卓有成效的结果。随着工业机械手研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。(2)国内机械手的发展历史我国机器人技术研究起步于70年代初期，经过30多年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。我国于1972年开始了研制自己的工业机器人和水下攻关计划，并取得了一定的成绩。进入八十年代后，我国机器人技术的开发与研究在政府的重视与支持下，1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，先后研制了水下机器人、机器人压路机、农林业机器人、微操作机器人等。从跟踪世界先进水平机器人技术角度出发，经过几年努力研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、3弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地。国产机器人走向实用化阶段。例如：在蔡鹤皋院士主持下，哈尔滨工业大学和沈阳自动化所设计制造HT-100A点焊机器人；1998年2月第一台上线应用于解放牌卡车的后风窗点焊，1998年5月第二台上线应用于红旗轿车焊接线上。哈尔滨工业大学机器人研究所研制的便携式机器人，可实现六自由度弧焊机器人的全部功能，同时可作为通用机器人完成其它工作，可在任意位置安装。沈阳新松公司为嘉陵集团摩托车车身生产线设计制造的6公斤轻型弧焊机器人。1.3机械手的发展趋势机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展。因此，机械手的主要发展方向如下：(1)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；(2)机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性；(3)机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；(4)虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。机械手的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机械手相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机械手技术的广阔发展前景也将越来越光明。1.4选题背景及课题意义机器人技术是一门最近三十多年间发展起来的科学技术，随着机器人的普及与4应用领域的不断扩大，对机器人的性能要求（如实时控制、动作精度、可靠性等）也不断提高。因此，为了能快速对机器人进行运动学分析，实现机器人机构和控制器的优化设计以及规划出优化的机器人运动轨迹，研究机器人的虚拟仿真是一个重要的手段。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制等，是一项具有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，揭示机构的合理的运动方案和控制算法，从而解决在机器人设计、制造和运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。虽然目前机械手不如人手灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、抓举重量比人手大的特点。因此，在机械工业中，机械手有以下几个意义：(1)可以提高生产过程中的自动化程度，应用机械手有利于提高材料的传送、工件的装卸等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐；(2)可以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、有灰尘、噪音及工作空间狭窄等场合中发生，而且应用机械手可以部分或全部代替人手安全的完成作业，大大提高劳动生产率，避免由于疲劳或疏忽造成的事故；(3)应用机械手代替人手进行工作可以减少人力，便于有节奏的生产，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的进行工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，目前在自动化机床和综合加工自动生产线上都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产。52机械手介绍机械手以使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：(1)按使用范围分类:专用机械手：一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。通用机械手：指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。(2)按运动坐标型式分类:直角坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；圆柱坐标式机械手：手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；球坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；多关节式机械手：这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。(3)按驱动方式分类：液压驱动机械手：以压力油进行驱动；气压驱动机械手：以压缩空气进行驱动；电力驱动机械手：直接用电动机进行驱动；6机械驱动机械手：它是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。(4)按机械手的臂力大小分类：微型机械手：臂力小于1；小型机械手：臂力为110；中型机械手：臂力为1030；大型机械手：臂力大于30。本设计中的机械手选用通用机械手，它控制起来比较灵活。2.1机械手组成及其工作原理机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。根据搬运机械手的作业特点，机械手模型如图2.1所示。立柱起到支撑及导向的作用，通过固定其上的丝图2.1机械手模型1.丝杠，2.摇臂，3.丝母，4.手爪，5.立柱，6.机座杠1()与螺母配合实现上下移动功能，摇臂2()与立柱铰接，能大范围地转动，1l2l另外手爪部4()能实现微转动，调节手爪的位置，通过手爪的开合抓取和放开物料。4l2.1.1执行机构7执行机构是机械手完成抓取工件，实现各种运动所需的机械部件，它包括手部、腕部、臂部等结构。(1)手部：机器人为了进行作业而配置的操作机构，又称为手爪或抓取机构，它直接抓取工件。它一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2)腕部：又称为手腕，是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3)臂部：连接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，将各种荷重传递到机座。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。2.1.2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类，在四种驱动方式当中，液压与气压跟机械和电力相比，具有以下优点：(1)空间布局安装不受严格的空间限制，能构成其它方法难以组成的复杂驱动系8统；(2)液压与气压驱动传递的运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向；(3)操作控制方便，省力，易于实现自动控制、中远距离控制、过载保护。与电气控制、电子控制结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护；(4)液压与气压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度较高，有利于缩短设计、制造和降低制造成本。基于以上几点，液压与气压驱动在生产中应用最为广泛。液压与气压作为机械手的两种常见驱动方式，其发展也对机械手的应用具有一定的促进作用。液压与气压都是以流体（液压油液或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的。液压的优点是单位质量输出功率大，因为液压传动的动力元件可以采用很高的压力（一般可达32MPa,个别场合更高），因此，在同等输出功率下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态性能好的特点。而气压传动的突出优点是：介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且起源压力较低，因此，气压机械手抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以一般适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。相比之下，液压一般用于低速，重载和低污染的环境下。应本设计要求，我们采用液压机构驱动机械手。2.1.3控制机构控制机构是机械手的另一重要组成部分。工业机械手一般都用可编程PLC、单片机控制。机械手控制系统采用PLC控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。92.2机械手运动学分析运动学分析是机器人路径规划、轨迹控制的基础，对机械手进行运动学正、逆问题分析，可以完成操作空间位置和速度向关节空间以及驱动空间的映射。10(1)机械手运动学正向分析搬运机械手可以看成是一个开式运动链，它由一系列连杆通过转动或移动关节顺次串联而成，开链的一端固连在基座上，一端自由，用来夹持物料。齐次变换通式为:T=1i01PRii=(2.1)1000coscossincosininii1111iiiida式中坐标系相对于的旋转矩阵；Ri1ii坐标系与点间的相对位置向量；Pi、连杆的长度和扭角；1iai1i连杆和之间的偏置；id1iia连杆和之间的关节角。iii式中综合表示了平移变换和旋转变换，描述了坐标系相对于的位置。由此i1i可以得到末端连杆坐标系相对于基坐标系的变换矩阵:n0(2.2)()(12101201nonqTqTT其中为关节变量，对于移动环节与转动环节各不相同，只要确定这n个关节iq变量，就可以计算出末端连杆相对于基坐标系的位姿，即建立了工件坐标系相对于基坐标系的位姿和关节变量之间的函数关系。(2)机械手运动学方程式该机械手包括4个自由度，由臂和腕部、关节组成，其中、1l1O341l2决定的位置，、决定的位置。各关节独立驱动，坐标不耦合，所以采用13Ol24DH分析方法，如图2.2所示。510图2.2搬运机械手的机械结构简图由于手爪部关于点对称，不妨取其中一侧(右侧)进行分析。建立坐标系及附3O体坐标系，确定各连杆参数，如表2.1：表2.1机械手连杆参数连杆i连杆长度1ia扭转角1i偏移量id关节角i关节变量范围1001l002000101832l03l2任意角44l0037510根据式(2.1)，代入表2.1有关参数，得T=T=0110l12100cossini1111T=T=23100cossin-i3222ll34100cossini334l操作臂末端关节在连杆附体坐标系中的位置为：5O5lTOlP1543则操作臂末端在基坐标系中的位置为：5334210OOTP(2.3)1)()sin(sinicoco3321524121lll(3)机械手逆向运动学分析运动学逆解是根据末端执行器的直角坐标位姿确定出相应的关节变量，是机器人运动规划和轨迹控制的基础。运动学逆解往往有多重解，甚至无解。因此，最理想的情况是得到封闭解。现在已经有多种方法可以进行逆运动学分析，如代数法、几何法等。采用几何方法，建立如图2.3所示的连杆坐标系：图2.3搬运机械手连杆坐标系投影图12由于机械手爪在工作过程中，与夹角只有2种可能。夹持过程中夹角约为，4l590空回程时约为，夹角变换的时间很短，大部分时间是在某一个角度中持续，所105以，计算时可以取一个确定的角度，本例计算时取。1053在中，由余弦定理得：543O35424253cosllO由正弦定理可得：，53sinarcxypartn在中，由余弦定理得：531O2253arcosyxyxplO则：1由正弦定理可得：sin)sin(53251O求得：或者)siarcn(5322Opyx2/2(4)机械手末端与关节变量之间速度关系分析机器人的雅可比，是指从关节空间运动向操作空间运动速度传递的广义传动比，即：(2.4)qJXV)(通过雅可比可判别机器人的奇异位形,由式(2.3)可知)()sin()sin(icoco3132152142lplllzyx对于设计的物料搬运机械手，由于竖直方向上下的运动只取决于竖直移动距离和连杆的长度，与水平方向控制无关，故将水平方向的位置投影到水平面内进行1l3l分析，采用直接微分的方法求解雅可比,只取水平面的投影可简化为：13)sin()sin(icoco321521412lllpyx320)(qJpVyx式中：雅可比矩阵；)(0qJ；23211J；1235141sinisinlllJ；2351242；3513silJ；123512412coscol；354sllJ；123523c；1321由于在机械手工作过程中大部分时间是一个不变量，为了简化计算，将其看3为常量，则速度的正向传递关系为：1)(qJyxVp则该操作臂的雅可比矩阵简化为2110)(JqJ操作臂的逆雅可比可以实现操作臂操作空间速度向关节空间速度的映射，是实现机器人操作空间速度控制的基础。由式(2.4)求逆得到XqJ)(1014式中：212352410sinsi1)(JllqJ；111co；23524siinllJ；123514121cscl；2insiillJ；212313153机械手控制系统设计仓储机械手需要完成水平行走、垂直升降和货物侧向送取的三维运动。为了提高系统的稳定性，该系统采用PLC控制器及交流变频器调速进行控制设计，系统方框图如图3.1:图3.1系统方框图3.1系统各环节建模系统的控制对象为交流异步电机，下面对系统中具体各个环节的建模进行讨论。3.1.1变频器环节选用的变频器为120交-直-交电压型PWM逆变器，交-直-交变频是把频率固定的交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成频率电压连续可调的交流电，也叫间接变频。在FUJIFRN0.4G9S-7变频器中使用的是大功率晶体管电路,因此该环节的动态特性主要受大功率晶体管的特性的影响。大功率晶体管主要是作高速开关器件,它的特性和晶闸管相似,主要表现为滞后特性，所以可把变频器环节看成是具有纯滞后特性的放大环节。设滞后时间为T，忽略其他元件的影响可得到变频器的传递函数：G(s)=U(s)/U(s)=KebdcctbTs其中：K变频器的增益；bT变频器平均失效时间。滞后时间T和大功率晶体管的类型有关，在低频信号的控制下，考虑到T很小，bb16可将滞后环节简化为惯性环节，具体的简化过程如下：把e按幂级数展开得：TbsG(s)=KebbTs=K1+TS+（TS）/2+bb21-K/(TS+1)b3.1.2交流异步电动机环节系统采用的是标准齿轮电机，它由电机和减速器组成，具有结构紧凑可无级调速等优点。异步电机是多输入多输出系统,其动态过程需要用一组多变量的非线形微分方程来描述,是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。电机包含两个储能部件:电枢电感储存磁能,转子机械惯性储存功能,两种能量可互相转换,使得电机具有振荡的特性。即可把电机简化为一振荡环节。得到如下的线性传递函数：图3.2交流异步电动机动态结构框图其中：-交流异步电机的角速度-定子角速度()112f-定子电压U-负载转矩LT-电机堵转时,绕组电流与电压之比()，K1)(21rK-绕组时间常数(s),/)(/221rL17-电动机的时间积分常数m这里得到的异步电机的简化动态传递特性与直流他励电机的动态特性相似,也是一个闭环系统,在一定限度负载扰动时具有一定的自调节作用。系统所采用的电机有自带齿轮减速器,而减速器可视为一比例环节,其传递函数为为减速比。,)(0KsG3.1.3速度检测环节该环节可被视为比例环节，即K=U/n。3.1.4转速到角位移转换环节因为n=d/dt,所以可将该环节看作积分环节，其传递函数为:G(s)=K/s。c3.1.5位置反馈检测环节该环节是典型的比例环节，它的传递函数为:G(s)=K，其中K是位置检测环节11增益。3.1.6PI调节器在速度反馈环节加入PI调节器可改善系统的稳态性能。PI调节器的原理如图3.3所示：18图3.3PI调节器原理该环节的传递函数为：sTKsGccc)1()(其中：01RKc1CT据上述分析,可得到系统结构图，如图3.4所示：图3.4系统结构图194利用MATLAB仿真4.1软件介绍MATLAB语言是当今国际上自动控制领域的首选计算机语言，也是很多理工科专业最合适的计算机数学语言。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的MATLAB已经不仅仅是一个矩阵实验室了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的、全新的计算机高级语言了，有人称它是第四代计算机语言，它在国内外高校和科研部门正扮演着重要的角色。MATLAB是用复数矩阵作为基本编程单元的一种高级程序设计语言，它的功能越来越强大，不断适应新的要求提出的解决方法。优点如下：(1)软件的使用具有简洁高效的特性,MATLAB程序设计语言集成度高，语句简洁，往往用C、C+等程序设计语言编写的数百条语句，用MATLAB语言用一条语句就能解决问题，其程序可靠性高、易于维护、可以大大提高解决问题的效率和水平；(2)具有科学运算功能，MATLAB语言以矩阵为基本单元，可以直接用于矩阵运算。另外，最优化问题、数值分析问题、微分方程数值解问题、数据处理问题等都能直接用MATLAB语言求解；(3)具有强大的绘图功能，MATLAB语言可以用最直观的语句将实验数据或计算结果用图形的方式显示出来，并可以将以往难以显示出来的隐函数直接用曲线绘制出来。MATLAB语言还允许用户用可视的方式编写用户图形界面，其难易程度和VB、VC等相仿，这使得用户可以容易的利用该语言编写通用程序；(4)有庞大的工具箱和模块集，在应用数学领域及其控制领域几乎所有的研究方向均有自己的工具箱，而且可信度比较高。随着MATLAB的日益普及，在其他领域也出现了工具箱。核心工具箱有功能性和学科性数百个核心内部函数和多种可选的专门工具箱；(5)强大的动态系统仿真功能。Simulink提供的面向框图的仿真及概念性仿真功能，使得用户能容易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析。Simulink的概念性仿真模块集允许用户在一个框架下对含有控制环节、机械环节和电子、电机环节的机电一体化系统进行建模和仿真，这是其他语言无法做到的。它提供了各种矩阵的运算与操作，并具有较强的绘图功能，所以得以广泛流传，成为当今国际科20学与工程领域中应用最广、最受人喜爱的一种软件环境。MATLAB是一个高度集成的软件系统，它集科学与工程计算、图形可视化、多媒体处理于一身，并提供了使用的Windows图形界面设计方法，使用户能设计出友好的图形界面。MATLAB语言在自动控制、航空航天、汽车工业、生物医学工程、语音处理、图像信号处理、雷达工程、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。4.2变频器参数型号:RUJIFRN0.4G9S-7适用电机功率(kW):0.4输出最高频率:50400Hz启动频率:0.260Hz制动时间:0.0130.0S额定电压:三相,220V/50Hz基本频率:15400Hz起始制动频率:0.260Hz控制方式:PWM控制4.3交流异步电动机参数型号：HCM040-28N40相数：3每相电感(mH)：235额定转速(r/min)：70.5额定电压：220V减速比：1/40每相电阻(8)：0.25额定转矩(Nm)：82额定电流(A)：1.800020额定功率(kW)：0.4214.4速度环节的仿真由于轻工机械备品自动化立体库中仓储机械手的负载较轻,在运行中负载变化小,在仿真中可将负载视为恒量环节。设定，根据速度环节297cK017.cT各传递函数及参数，用MATLAB进行仿真分析。对系统作尼奎斯特稳定性分析:图4.1尼奎斯特曲线利用MATLAB软件求出开环传递函数特征方程的根:22图4.2速度环节开环及闭环传递函数图4.3开环特征方程的根由数据看出根全为负值，开环稳定。闭环稳定的充分必要条件是开环尼氏特性G(jw)不包围(-1,j0)点，因此，闭环系统稳定，满足系统设计要求。4.5位移环节的仿真该环节可作为位移环内的一个等效环节,与系统前向通道中的积分环节串联,构成位移环的受控对象。从希望系统的稳态性能好这个角度出发,可将位移环设计成三阶系统。设定参数为：K=3.6，T=0.03。cc根据位移环节的各传递函数及其参数,在位移为指定位移曲线时,仿真出系统输23出位移曲线如图4.4所示:图4.4系统输出位移曲线由图可见该双闭环系统的稳态性能很好,系统的最大稳态误差，车轮6.5max直径为120mm,所以水平运动的定位精度为S0.