基于MATLAB S-Function的两关节机械臂独立PD控制仿真平台

资 源 简 介

本MATLAB项目采用S-Function构建两关节机械臂的完整动力学模型，包括惯性、科氏力、离心力与重力项。设计了独立的PD控制器，分别实现关节位置与速度的精确轨迹跟踪，提供完整的动力学仿真与控制系统验证平台。

详 情 说 明

基于 S-Function 的两关节机械臂独立 PD 控制系统仿真平台

项目介绍

本项目实现了一个基于 MATLAB S-Function 的两关节机械臂轨迹跟踪控制仿真平台。平台通过建立机械臂的精确动力学模型，并设计独立的 PD 控制器，实现了对双关节机械臂运动轨迹的精确跟踪与仿真分析。核心内容包括利用 S-Function 构建包含完整动力学项（惯性矩阵、科氏力、离心力、重力）的机械臂模型，以及实现位置和速度双环的独立 PD 控制算法。

功能特性

• 高精度动力学建模：采用拉格朗日方程法，通过 S-Function 精确计算机械臂的惯性矩阵、科氏力、离心力和重力项，真实反映系统动力学特性。
• 独立双关节 PD 控制：为两个关节分别设计独立的 PD 控制器，实现关节位置和速度的闭环控制，参数可独立调整，灵活性强。
• 轨迹跟踪控制：支持用户定义期望关节轨迹，仿真平台可模拟机械臂对该轨迹的跟踪过程，并计算跟踪误差。
• 实时数据可视化：提供机械臂运动过程的实时动画演示，并同步绘制关节角度、控制力矩、跟踪误差等关键数据的变化曲线，直观展示仿真结果。

使用方法

1. 参数配置：在运行主仿真脚本前，根据实际机械臂物理结构，设置正确的杆长、质量、转动惯量等机械参数。
2. 控制器调参：根据控制性能要求，为两个关节分别设定比例增益 (Kp) 和微分增益 (Kd) 参数。
3. 设定目标轨迹：定义期望的关节角度轨迹函数或输入序列 [θ1_d, θ2_d]。
4. 初始化状态：设定机械臂两个关节的初始角度和角速度。
5. 运行仿真：执行主仿真脚本，启动 Simulink 模型进行仿真计算。
6. 结果分析：仿真结束后，观察自动生成的运动动画和数据曲线图，分析系统的跟踪性能和控制器效果。

系统要求

• 操作系统：Windows / Linux / macOS
• 软件环境：MATLAB (建议 R2016b 或更高版本) 、Simulink
• 必要组件：MATLAB Coder (若使用 C-MEX S-Function 需确保可用)
• 硬件配置：无特殊要求，普通个人计算机即可满足仿真运行需求。

文件说明

主程序文件 main.m 是项目的入口和核心控制脚本，它承担着整个仿真流程的初始化和调度工作。其主要功能包括：定义并配置仿真所需的所有关键参数，如机械臂的物理参数、PD控制器的增益、期望跟踪轨迹以及系统的初始状态；负责启动并运行构建好的Simulink仿真模型；在仿真完成后，对输出的数据进行处理和可视化，生成机械臂的运动动画以及各关节的角度、力矩、误差等随时间变化的曲线图，便于用户直观地评估控制系统的性能。