基于MATLAB和S函数的复杂系统设计毕业论文(2)

基于MATLAB和S函数的复杂系统设计

1引言

1.1课题研究背景

随着我国工业自动化水平的不断提高，在机械加工与制造领域，以及各种装配与包装自动化生产线上，机械手的应用已相当普遍。机械手通常担负着上料、下料，搬动或装卸零件的重复动作等，以实现生产自动化。

机械手在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。

随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。

1.2 机械手的发展概况和趋势

1.2.1机械手的研究现状概述

机械手是一种模拟人手操作的自动机械[6]。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性

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越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 1.2.2发展趋势

随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大。目前,机械手不仅应用于传统制造业如采矿，冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中。在技术发展上也有了很大提高。

（1）重复高精度

重复精度是指如果动作重复多次,机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要,如果一个机器人定位不够精确,通常会显示一个固定的误差,这个误差是可以预测的,因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。

（2）模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置,使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。

（3）无给油化

为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

（4）机电一体化

由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件,使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,

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而且拆装简单,大大提高了系统的可靠性。而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

1.3课题研究的内容

主要用S函数编写程序来实现一个非线性系统的控制仿真，本文选择两关节机械手模型进行试验，两关节机械手是简单的一类关节型机器人，通过对两关节机械手[12]的控制，了解关节的输出位置，估计通常难于准确测量的不确定摩擦力和外部扰动的影响，这样才能保证全局的渐进稳定。因此本文针对两关节机械手的轨迹跟踪问题，通过已建立的数学仿真模型，用MATLAB语言中的S函数编制仿真程序进行位置和速度跟踪来验证该模型是否稳定。

2 S函数在系统仿真中的应用

MATLAB下提供的Simulink环境是解决非线性系统建模、分析与仿真的理想工具，本章将介绍Simulink建模与仿真方法及在控制系统中的应用。首先简要介绍Simulink的概况，并介绍了Simulink提供的S-function模块和常用模块的应用，以及S函数的编写格式与方法，为后面搭建系统仿真模型打下基础。

2.1仿真基础知识

2.1.1 MATLAB及Simulink简介

本文的仿真实验是在MATLAB软件[7]环境下进行的。MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的一套数值计算软件，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理等若干个领域的计算和图形显示功能。它提供了神经网络工具箱，其中包含了大多数常见神经网络类型，可以方便地以图形界面或函数调用的形式进行仿真。由于本文的研究方法无法直接利用工具箱实现，所以相关的程序都是参考工具箱中的程序自行编制的。

仿真就是用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究。仿真所遵循的基本原理是相似原理，即几何相似和数学相似。依据这个原理，仿真可分为物理仿真和数学仿真。所谓物理仿真，就是应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小的物理模型进行实验研究；所谓数学仿真，就是应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行实验研究。

根据仿真使用的计算机分类，又可把仿真分为模拟计算机仿真、数字计算机仿真和模拟-数字计算机仿真。有时必须有部分实物介入，则称为半物理仿真。

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