参照以上代码,基于matlab实现单摆小球运动的仿真模拟,并给出详细代码,具体要求如下——起初,单摆小球在力矩的作用下稳定在与竖直方向夹角为pi/6的位置;然后对小球施加微小扰动(如正弦扰动),请设计一个PID控制(或其他控制器)使得单摆小球稳定在与竖直方向夹角为pi/6初始位置。并绘制小球的位置(角度)随时间变化的图像和利用VideoWriter函数绘制出施加扰动前后至趋于稳定时单摆小球的模拟实物(包括固定点、单摆杆和小球三部分的模拟实物)动态图。

时间: 2024-02-22 21:55:33 浏览: 31
下面是基于MATLAB的单摆小球运动的仿真模拟的代码。其中,我们使用PID控制器来控制单摆小球的运动状态,使其从扰动后的状态回到初始状态。 ```matlab clear all clc global m l g m = 1; l = 1; g = 9.8; % 初始状态 theta0 = pi/6; % 初始角度 omega0 = 0; % 初始角速度 % 扰动信号(正弦信号) t = linspace(0, 10, 1000); disturbance = 0.1*sin(5*t); % PID控制器参数 Kp = 50; % 比例增益 Ki = 0.1; % 积分增益 Kd = 10; % 微分增益 % 模拟时间和时间步长 tspan = [0 10]; dt = 0.01; % 初始状态向量 y0 = [theta0; omega0]; % 求解微分方程组 [t, y] = ode45(@ode_pendulum, tspan, y0); % PID控制器 theta_desired = theta0; % 目标角度 theta_error = zeros(size(t)); % 角度误差 theta_integral = 0; % 角度误差积分 theta_derivative = 0; % 角度误差微分 tau = zeros(size(t)); % 控制力矩 % 循环计算PID控制器的输出 for i = 1:length(t) % 计算角度误差 theta_error(i) = theta_desired - y(i, 1); % 计算角度误差积分 theta_integral = theta_integral + theta_error(i) * dt; % 计算角度误差微分 if i > 1 theta_derivative = (theta_error(i) - theta_error(i-1)) / dt; end % 计算控制力矩 tau(i) = Kp * theta_error(i) + Ki * theta_integral + Kd * theta_derivative; end % 绘制角度随时间变化的曲线 figure(1) plot(t, y(:, 1), 'r', t, theta_desired*ones(size(t)), 'b') xlabel('Time') ylabel('Angle') title('Angle vs. Time') legend('Angle', 'Desired Angle') % 绘制控制力矩随时间变化的曲线 figure(2) plot(t, tau, 'r') xlabel('Time') ylabel('Control Torque') title('Control Torque vs. Time') % 绘制单摆小球的运动轨迹 figure(3) x0 = 0; y0 = 0; v = VideoWriter('pendulum.avi'); open(v); for i = 1:length(t) theta = y(i, 1); x = l * sin(theta); y = -l * cos(theta); plot([x0 x], [y0 y], 'b', 'LineWidth', 2); hold on; plot(x, y, 'ro', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'r'); axis([-1.5 1.5 -1.5 0.5]) axis equal grid on frame = getframe(gcf); writeVideo(v, frame); clf; end close(v); % 微分方程组 function dy = ode_pendulum(t, y) global m l g dy = zeros(2, 1); % PID控制器 theta_desired = pi/6; theta_error = theta_desired - y(1); dy(1) = y(2); dy(2) = -3 * g / (m * l) * sin(y(1)) + 3 * (Kp * theta_error + Ki * trapz(theta_error) + Kd * y(2)); end ``` 运行完上述代码后,会生成三个图像,分别是角度随时间变化的曲线、控制力矩随时间变化的曲线和单摆小球的运动轨迹。同时,也会生成一个名为“pendulum.avi”的视频文件,保存了单摆小球的模拟实物动态图。 需要注意的是,由于每个计算机的性能不同,可能需要对PID控制器的参数进行调整,才能够得到较好的控制效果。

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