【正文】 塊。 圖55 Simulink模型 聯(lián)合仿真設(shè)置MATLAB于ADAMS之間的數(shù)據(jù)交換參數(shù)。圖56 擺角輸出曲線 圖57 小車(chē)位移輸出曲線由圖56和57可以看出，聯(lián)合ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真時(shí)，擺角與小車(chē)位移輸出與在ADAMS中一致。在整個(gè)仿真過(guò)程中，我們可以體會(huì)到利用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真的優(yōu)勢(shì)所在，將ADAMS中的模型直接導(dǎo)入MATLAB中，避免了繁瑣的推導(dǎo)傳遞函數(shù)的過(guò)程，利用MATLAB在控制方面強(qiáng)大的功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，很好的發(fā)揮了兩種軟件各自的優(yōu)勢(shì)。InstituteUp所以，實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真很有意義。運(yùn)行結(jié)束后，在Simulink中點(diǎn)擊觀察輸出波形。彈出了一個(gè)新的窗口，該窗口是MATLAB/Simlink選擇窗口，窗口中包含的內(nèi)容如圖54所示。其中力F為ADAMS的輸入變量，geiding、angle和X為ADAMS的輸出變量。在下面的仿真過(guò)程中，我們將能夠很直觀地體會(huì)到利用ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真倒立擺系統(tǒng)時(shí)與分別用兩者進(jìn)行仿真時(shí)的優(yōu)勢(shì)所在。通過(guò)PID控制添加在小車(chē)上的力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺系統(tǒng)擺角和小車(chē)位移的控制。進(jìn)入后處理界面，載入動(dòng)畫(huà)并錄像保存。（2） 創(chuàng)建PID環(huán)節(jié)單擊控制環(huán)節(jié)工具包中的PID按鈕，利用sum1和input3建立PID環(huán)節(jié)PID_1。 圖43 保存動(dòng)畫(huà)在后處理模塊中，通過(guò)菜單【View】→【Load Plot】，通過(guò)選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，繪制出相應(yīng)的結(jié)果曲線。設(shè)置input_1為0*pi，把input_2與input_3分別與相應(yīng)的Marker相關(guān)聯(lián)。選中小車(chē)，右鍵點(diǎn)擊修改小車(chē)特性參數(shù)，同樣，*m。工具箱模塊有7種，其中包括軟件開(kāi)發(fā)工具包（ADAMS/SDK）、虛擬試驗(yàn)工具箱（Virtual Test Lab）、虛擬試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析工具箱（Virtual Experiment Modal Analysis）等。 圖41 ADAMS/View界面（2）求解器模塊（ADAMS/solver）求解器模塊是ADAMS用來(lái)求解機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的算法模塊。用戶(hù)可以利用該軟件的通用模塊對(duì)一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，同時(shí)也可以利用該軟件的專(zhuān)用模塊對(duì)特殊的系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析。該軟件是一款虛擬樣機(jī)分析軟件，由美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)（現(xiàn)已并入美國(guó)MSC公司）。此時(shí)，小車(chē)位移的輸出如圖37所示。deng=[1 ]numh=[1]。圖33 Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖圖中Transfer F1和Transfer F分別表示擺桿角度和小車(chē)位移的傳遞函數(shù)，Scope1和Scope分別表示擺桿角度和小車(chē)位移的輸出曲線。在MATLAB中編寫(xiě)程序，計(jì)算擺角傳遞函數(shù)和小車(chē)位移傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，程序如下：p=[1,]。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。20世紀(jì)70年代，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任Cleve Moler為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用FORTRAN編寫(xiě)了最早的MATLAB。MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。事實(shí)上許多PID控制器的整定方法并不要對(duì)過(guò)程特性有很多的先驗(yàn)知識(shí)是借助于某些簡(jiǎn)單的測(cè)試通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定參數(shù)，因此系統(tǒng)的魯棒性較好，對(duì)通過(guò)特性變化的敏感性也較弱。例如：用比例控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制強(qiáng)度以保持必要的相對(duì)穩(wěn)定性，用積分控制以消除殘差。第一步，首先根據(jù)控制對(duì)象及對(duì)系統(tǒng)的要求確定控制器的形式。它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具其原因是由于存在有較大它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、擺的運(yùn)動(dòng)由水平方向、鉛直方向以及旋轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。在本設(shè)計(jì)中采用牛頓歐拉方法建立單級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文將采用用三種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺的控制，首先在MATLAB中控制倒立擺，然后在ADAMS中建立倒立擺模型并實(shí)現(xiàn)初步控制，最后聯(lián)合ADAMS與MATLAB，再次實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的控制。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制倒立擺的研究有了快速的發(fā)展。所以，研究倒立擺系統(tǒng)對(duì)以后的教育研究領(lǐng)域和控制研究領(lǐng)域具有非常深遠(yuǎn)的影響。非線性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、隨動(dòng)問(wèn)題以及跟蹤問(wèn)題等各種控制中的典型問(wèn)題都可以通過(guò)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究得到有效的反映。倒立擺的控制方法在軍工、航天、機(jī)器人和一般工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。單級(jí)倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典型多變量、不穩(wěn)定和強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。本課題以實(shí)驗(yàn)室典型控制系統(tǒng)倒立擺為對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行機(jī)電機(jī)電一體化聯(lián)合分析。利用云模型的方法，不用建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)人的感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)和邏輯判斷，將人用語(yǔ)言值定性表達(dá)的控制經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)語(yǔ)言院子和云模型轉(zhuǎn)換到語(yǔ)言控制規(guī)則器中，解決了倒立擺控制的非線性問(wèn)題和不確定性問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)建模就是通過(guò)在研究對(duì)象上加上一系列的研究者事先確定的輸入信號(hào)，激勵(lì)研究對(duì)象并通過(guò)傳感器檢測(cè)其可觀測(cè)的輸出，應(yīng)用數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)的輸入－輸出關(guān)系。本文采用牛頓—?dú)W拉方法建立直線型一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的模型。合并這兩個(gè)方程，約去和，由得到第二個(gè)運(yùn)動(dòng)方程： （21）設(shè)（是擺桿與垂直向上方向之間的夾角），假設(shè)與1（單位是弧度）相比很小，即《1，則可以進(jìn)行近似處理：。簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（PD）控制器能改這些方法通過(guò)不太復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)。（2）應(yīng)用廣泛。第3章 基于MATLAB的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) MATLAB軟件簡(jiǎn)介MATLAB（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是MATrix它在數(shù)學(xué)應(yīng)用類(lèi)科技應(yīng)軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。 擺桿角度PID控制對(duì)擺桿角度的控制采用的結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。G1=tf (num1, den1)。我們?cè)趯?duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)，我們是忽略掉了一些次要因素的 ，比如小車(chē)與地面之間的摩擦等，這就導(dǎo)致了我們得到的傳遞函數(shù)可能與系統(tǒng)的實(shí)際傳遞函數(shù)之間存在誤差，我們這里計(jì)算出來(lái)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)有一個(gè)很小的正值，很可能就是因?yàn)檫@種原因的影響。根據(jù)在脈沖響應(yīng)下調(diào)好的PID參數(shù)，仿真后，我們可以得到擺角和小車(chē)位移的輸出分別如圖38和39所示。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。（1）用戶(hù)界面模塊（ADAMS/View）ADAMS/View提供了一個(gè)交互式的圖形建模環(huán)境和仿真計(jì)算的前處理功能，具有快捷方便的圖標(biāo)，可操作性強(qiáng)?？梢岳煤筇幚砟K完成曲線反向、縮放以及生成伯德圖等功能。為給定值，我們令它為ADAMS中的輸入，然后再建立控制系統(tǒng)的輸入變量，測(cè)得擺桿與小車(chē)在運(yùn)動(dòng)中的實(shí)際角度，將這兩數(shù)值進(jìn)行比較，得到的差值即為系統(tǒng)的誤差，根據(jù)這一誤差建立PID環(huán)節(jié)，控制擺桿的角速度。這樣就小車(chē)就只有一個(gè)自由度，平移副約束了小車(chē)只能在水平上左右移動(dòng)。可以觀察到小車(chē)將進(jìn)行一次時(shí)間為10s，步長(zhǎng)為500步的仿真。 圖44 未加控制時(shí)擺角輸出圖從圖44中可以看出，由于加在小車(chē)上力的作用，并重復(fù)這一過(guò)程，這就不能達(dá)到我們控制的要求。圖中紅色曲線表示擺角的輸出，藍(lán)色曲線表示小車(chē)位移輸出。）的等幅運(yùn)動(dòng)，可以達(dá)到控制的要求。MATLAB在控制方面功能強(qiáng)大，但是ADAMS的仿真結(jié)果更加的直觀，實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真很有意義。倒立擺模型在上一章已經(jīng)建好了，可以直接用它。在ADAMS/Controls中，設(shè)計(jì)師既可以通過(guò)簡(jiǎn)單的繼電器，邏輯與非門(mén)，阻尼線圈等建立簡(jiǎn)單的控制機(jī)構(gòu)，也可利用通用控制系統(tǒng)軟件（如MATLAB，MATRIX，EASY5）建立的控制系統(tǒng)框圖，建立包括控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，氣動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型。在彈出的新窗口中雙擊MSCSoftware，彈出書(shū)籍交換設(shè)置對(duì)話框，將Simulation Mode設(shè)置成continuous，Animation mode設(shè)置成interactive，其他默認(rèn)，單擊OK按鈕。本章小結(jié)在本章中，我們聯(lián)合ADAMS與MATLAB對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，采用聯(lián)合仿真，我們直接從ADAMS中導(dǎo)入機(jī)械系統(tǒng)仿真模型到MATLAB中，而不用像第二章一樣進(jìn)