基于MATLAB仿真的残障电动轮椅车速控制系统设计.

电子课程设计报告

题目：基于MATLAB仿真的残障电动

轮椅车速控制系统设计

课程：自动控制原理

学生姓名：

学生学号：

年级：

专业：

班级：

指导教师：

机械与电气工程学院制

2015 年3月

基于MATLAB 仿真的残障动轮椅

车速控制系统设计

1.课程设计的任务与要求

1.1设计课题

基于MATLAB 仿真的残障电动轮椅车速控制系统设计

系统结构图为：

图1 系统方框图

其中，控制器为K G c =，传感器模型为2

5.2)(1+=

s s G 、被控对象模型为)125.0)(1(1)(2++=s s s G 。 1.2 课程设计的任务

（1）简述具有头盔传感器的残障电动轮椅车速控制的基本原理及应用；

（2）编程求解系统的传递函数)

()(s R s C ； （3）编程绘制系统的根轨迹，并求分离点坐标的增益K 值、与虚轴交点时

的K 值和ω值；

（4）编程当系统的速度误差系数8=K 时，绘制系统单位阶跃响应和单位斜

坡的曲线，利用MATLAB 进行系统动态特性分析（求出其性能指标s t %,σ的值）和稳态误差。

（5）编程绘制当8=K 时系统的Bode 图、Nyquist 图，求出相角裕量和幅

值裕量，判断系统稳定性。

（6）当控制器为P 控制律)12(4+=s G c 时，编程此时系统的Bode 图、Nyquist

图，求出相角裕量和幅值裕量，判断系统稳定性。

1.3课程设计的目的

(1) 正确理解传递函数及根轨迹的概念；

(2) 掌握根轨迹的绘制法则，能熟练绘制跟轨迹；

(3) 根据根轨迹定性分析系统指标随参数变化的趋势；

(4) 熟练使用MATLAB 工具绘制系统的根轨迹和传递函数；

(5) 使用MATLAB 工具对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特

性析；

(6)使用MATLAB 工具画出Bode 图、求出相角裕量和幅量并判断系统的稳

定性。

2. 具有头盔传感器的残障电动轮椅车速控制的基本原理及应用

一种新型的电动轮椅装有一种非常实用的速度控制系统，使颈部以下有残障

的人士也能自动驾驶这种电动轮椅。该系统在头盔上以间隔︒90安装了四个速度

传感器，用来指示前、后、左、右四个方向。头盔传感系统的综合输出与头部运

动的幅度成正比。

国内对电动轮椅的研究较晚，尤其是智能电动轮椅，研究还不完善，但近

几年发展很快。国内厂商生产的电动轮椅大部分为四轮式和六轮式，一般都具有

调速、翻越简单路障和防倾倒等功能。虽然国内电动轮椅研究还不太完善，但在

一定的基础上还是有所提高的。例如有些生产商在原有轮椅的研究上，发明出利

用驱动左、右动力后轮的左、右电机串联连接设计，从而具有差动速度功能，使

电动轮椅行驶时稳定舒适、转向可靠。近几年，还出现了手扶电动、可爬梯以及

站立式电动轮椅。

随着机器人技术、人工智能技术和传感器技术的进步，电动轮椅的研究朝着

高性能、多功能、智能化和人性化的方向发展。智能轮椅不但可以为老年人和残

疾人提供一种良好的代步工具，而且可以具有自主导航、自主避障、人机对话等

服务机器人所具有的各种功能，因而可以帮助残疾人和老年人提高自己的生活自

理能力和工作能力，使他们更好地融入社。初期的研究，赋予轮椅的功能一般都是低级控制，如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展，移动机器人大量技术用于轮椅，电动轮椅在更现实的基础上，有更好的交互性、适应性、自主性。

应用领域随着科学技术的发展，电动轮椅的强大功能不仅适用于年老体弱的老年人和重度残疾的伤患，同样的，它也适合于大型车间工人的代步工具。

3. 控制系统设计原理

3.1 反馈控制系统的基本知识

反馈控制系统又称闭环控制系统，是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值进行比较，并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减少以致消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。

闭环控制的特点是：在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在反馈作用，既系统的输出量对控制量有直接影响，将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与信号比较的过程称为反馈，若反馈信号与输入信号想减，则称负反馈。反之，若相加，则称正反馈，输入信号与反馈信号之差称为偏差信号，偏差信号作用于控制器上，控制器对偏差信号进行某种运算，产生一个控制作用，是系统的输出量趋向于给定数值，闭环的实质就是利用负反馈的作用来减小系统的误差，因此闭环控制又称为反馈控制。

输入量（给定值）

输出量（被控量）

控制器被控对象

_

测量元件

图2 反馈控制系统方框图

3.2控制系统时域分析法

对于线性系统，常用的分析方法有三种：时域分析法，根轨迹法和频域分析法。时域分析法，具有直观准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信息，尤其适用于低阶阶段。

时域分析法是根据微分方程，利用拉氏变换直接求出系统的时间响应，然后按照响应的曲线来分析系统的性能。

3.3 控制系统根轨迹原理

（1）所谓根轨迹是指，开环系统的每一个参数从零变化到无穷大时，闭环系统特征方程根在S平面上的轨迹称为根轨迹；

（2）根轨迹的分离点与分离角是两条或两条以上根轨迹分支在S平面上相遇又立即分开的点，该点与实轴正方向的夹角即为分离角；

（3）在理论分析中，往往只能画出根轨迹草图，而利用MATLAB，则可以迅速绘制出精确的根轨迹图形。MATLAB绘制根轨迹的函数为rlocus，常用格式为rlocus(sys)，sys为系统开环传递函数模型名称：rlocus(num，den，k)，num为开环传递函数分子多项式，den为分母多项式，k为根轨迹增益，k的范围可以指定，若k未给出，则默认为k从0→+∞，绘制出完整的根轨迹。利用函数rlocfind 可以显示根轨迹上任意一点的相关数值，以此判断对应根轨迹增益下闭环系统的稳定性。

3.4频率特性及图解法

传统的频率分析是绘制频率特性曲线的渐近线，或通过人工计算数据，绘制较为详细的伯德图，奈氏图、对数幅相频率特性图，方法复杂还不一定能保证绘制的精度。而应用MATLAB提供的相关函数，可以快速、精确地绘制出这三种图形的准确曲线，并计算出频域性能指标，对系统进行分析与设计。

3.5稳态误差分析

(1) 频域法

以控制系统特性作为数学模型，不必求解系统的微分方程或动态方程，而是做出系统频率特性的图形，然后通过频域和时域之间的关系来分析系统的性能，因而比较方便。频域的相对稳定性即稳定裕度常用相角裕度γ和幅值裕度h来度量。