机械运动系统设计与实践报告.docx
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机械运动系统设计与实践报告
机械运动系统设计与实践报告
学院：
工程学院
专业：
机械设计及理论
姓名：
学号：
指导教师：
2012年3月
环形倒立摆Adams与Matlab联合仿真分析
一、实践目的
1.熟悉和理解环形倒立摆的组成部件及运动原理。
2.通过ADAMS软件对环形倒立摆进行建模，熟练该款软件。
3.通过运用ADAMS导出模块与matlab进行对接处理，熟悉matlab软件的PID运行控制以及掌握simulink的相关设置。
二、实验原理
环形倒立摆是通过电机驱动，带动连杆，同时连杆来带动摆杆运动。
中间需要测量的物理参数主要有：
连杆的角度、连杆的角速度、摆杆的角度、摆杆的角速度。
通过两个光电编码器进行反馈。
从反馈过程中来调节电机的转速及转向，进而达到摆杆的倒立并保持相对平衡。
下图1即为实验室固高环形倒立摆系统组成框架：
图1环形倒立摆组成框架
机房中matlab6.5中控制倒立摆的原理
图二
老师给的程序
%thisisanewsimulationprogramfornewarm-typeinvertedpendulum
%bylgrinputonthestateof0ofarmandthatof0ofpendulum
%!
CAUTION,changedbaseofdirectionofarm
%Suc.
clearall
closeall
%---------------------------------
Ma=0.21;
Mp=0.062;
la=0.133;
lp=0.068;
La=0.25;
Lp=0.19;
Ja=5E-3;
Jp=5.65E-4;
Ca=5.52E-3;
Cp=1.69E-4;
kt=0.0419;
g=9.8;
%------------------continuousstateequation--------------------
ce=[1000;
0100;
00Mp*La^2+JaMp*La*lp;
00Mp*La*lpJp];
ca=[0010;
0001;
-（Mp*la+Mp*La）*g0-（Ca+Cp）Cp;
0Mp*g*lpCp-Cp];
cb=[0;0;kt;0];
CA=inv（ce）*ca;
CB=inv（ce）*cb;
C=[1000;0100];
%---------------------------------------------------------------
Q=diag（[100,10,1,1]）;
R=1;
[f,s,e]=lqr（CA,CB,Q,R）;
%---------------------------------------------------------------
dt=0.005;%samplingtime
th_a=0.1%accdd（'Initialangleofarm',0.1）;%!
caution,clockdi
%rection
th_p=pi;%=accdd（'Initialangleofpendulum',pi）;%!
caution,clockdir
%ection+
d_th_a=0.0;%
d_th_p=0.0;%initialvaluesofstates
dd_th_a=0.0;%
dd_th_p=0.0;%
u=0.0;
z=0.0;
energy=0.0;
i=1;
%--------------------------inputparameter---------------------
alpha=30.0;%alpha=accdd（'DesignParameteralpha',30.0）;
energy_d=1.5*Mp*g*lp;%accdd（'DesiredEnergy',1.5*Mp*g*lp）;
zeta=1%accdd（'DampingFactor',1.0）;
wc=1%accdd（'DampingFactor',1.0）;
flag=0;
%--------------------------startingloop----------------------
fori=1:
6.0/dt
th_a_0=th_a;%
th_p_0=th_p;%
d_th_a_0=d_th_a;%
d_th_p_0=d_th_p;%
dd_th_a_1=dd_th_a;%
dd_th_p_0=dd_th_p;%
ifcos（th_p）>=cos（0.2）;
flag=1;
end
ifflag==0%-----------------------swimpingup------------------
dd_th_a=z-（2*zeta*wc*d_th_a+wc^2*th_a）;
ydd_temp=-Mp*La*lp*cos（th_a-th_p）*dd_th_a+Mp*La*lp*d_th_a^2*sin（th_a-th_p）;
dd_th_p=（ydd_temp+Mp*g*lp*sin（th_p）+Cp*d_th_a-Cp*d_th_p）/Jp;
d_th_a=d_th_a_0+dd_th_a*dt;
d_th_p=d_th_p_0+dd_th_p*dt;
th_a=th_a_0+d_th_a_0*dt+dd_th_a*dt^2*0.5;
th_p=th_p_0+d_th_p_0*dt+dd_th_p*dt^2*0.5;
else
eq_1_1=-Mp*La*lp*d_th_p^2*sin（th_a-th_p）-（Mp*la+Mp*La）*g*sin（th_a）;
eq_1_2=-（Ca+Cp）*d_th_a+Cp*d_th_p+kt*u;
eq_1_left=eq_1_1+eq_1_2;
eq_2_1=Mp*La*lp*d_th_a^2*sin（th_a-th_p）+Mp*lp*g*sin（th_p）;
eq_2_2=Cp*d_th_a-Cp*d_th_p;
eq_2_left=eq_2_1+eq_2_2;
%--------------------------calculationofinversematrix-------------
M11=Mp*La^2+Ja;
M12=Mp*La*lp*cos（th_a-th_p）;
M21=Mp*La*lp*cos（th_a-th_p）;
M22=Jp;
M=[M11M12;M21M22];
MI=inv（M）;
%-------------------calculationofparameters------------------
dd_th_a=MI（1,1）*eq_1_left+MI（1,2）*eq_2_left;
dd_th_p=MI（2,1）*eq_1_left+MI（2,2）*eq_2_left;
d_th_a=d_th_a_0+dd_th_a*dt;
d_th_p=d_th_p_0+dd_th_p*dt;
th_a=th_a_0+d_th_a_0*dt+dd_th_a*dt^2*0.5;
th_p=th_p_0+d_th_p_0*dt+dd_th_p*dt^2*0.5;
end
energy=0.5*Jp*d_th_p^2+Mp*g*lp*cos（th_p）;%energyofpendulum
potential=Mp*g*lp*cos（th_p）;
kinetic=0.5*Jp*d_th_p^2;
%------------------------------------------------------------------------
ifflag==0
error=energy-energy_d;
u1=（Mp*La^2+Ja）*dd_th_a+Mp*La*lp*cos（th_a-th_p）*dd_th_p+（Ca+Cp）*d_th_a;
u2=Mp*La*lp*d_th_p^2*sin（th_a-th_p）+（Ma*la+Mp*La）*g*sin（th_a）-Cp*d_th_p;
u=（u1+u2）/kt;
z=alpha*d_th_p*cos（th_p）*error;
else
u=-f*[th_a;th_p;d_th_a;d_th_p];
end
%-----------------Limitinput--------------
ifu>=4.995
u=4.995;
elseifu<=-4.995
u=-4.995;
end
end
%----------------------------savedata----------------------------
accel_th_a（i）=dd_th_a;a的加速度
accel_th_p（i）=dd_th_p;p的加速度
veloc_th_a（i）=dd_th_a;a的速度
veloc_th_p（i）=dd_th_p;p的速度
angle_th_a（i）=th_a;a的角度
angle_th_p（i）=th_p;p的角度
Energy1（i）=energy;能量方程
Energy2（i）=kinetic;动力方程
Energy3（i）=potential;
input（i）=u;
t（i）=i*dt;
end
%----------------------------endloop-------------------------------
subplot（221）;plot（t,angle_th_a）;
xlabel（'time[sec]'）;
ylabel（'AngleofArm[rad]'）;
grid
subplot（222）;plot（t,angle_th_p）;
xlabel（'time[sec]'）;
ylabel（'AngleofPendulum[rad]'）;
grid
subplot（223）;
plot（t,input）;
xlabel（'time[sec]'）;
ylabel（'Input'）;
grid
subplot（224）;
plot（t,Energy1,t,Energy2,':
',t,Energy3,'--'）;
xlabel（'time[sec]'）;
ylabel（'EnergyofPendulum'）;
程序中的一些句子
%thisisanewsimulationprogramfornewarm-typeinvertedpendulum这是一个新臂型倒立摆的新的仿真程序
%bylgrinputonthestateof0ofarmandthatof0ofpendulum由lgr输入的手臂0和0摆的状态
%!
CAUTION,changedbaseofdirectionofarm注意，改变基
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