球杆控制系统的分析与设计

论文摘要

球杆系统是研究控制理论最为经典的实验设备之一。它结构简单、安全,而且涵盖许多经典和现代控制对象的特性,具有非线性不稳定系统所具有的重要动态特性,可以直观的反映控制器的控制效果。球杆系统可以用于实现各种已有的控制理论和方法,也可以作为新的理论和控制方法的检测工具。因此球杆系统作为一个经典的控制对象被广泛应用于控制理论的研究中。首先,分析球杆系统的工作原理和基本构成,建立系统的数学模型,并对数学模型在平衡点附近进行线性化处理,得到系统的线性模型。然后在MATLAB/SIMULINK环境下构建系统的仿真模型,通过对开环阶跃响应曲线的分析可知,球杆系统是一个不稳定系统。其次,对球杆系统进行传统PID控制器设计及仿真,并分析控制器的控制品质及优缺点；运用模糊控制理论,对球杆系统进行常规模糊控制器的设计与仿真,并分析其控制性能及优缺点；针对常规模糊控制器中量化因子、比例因子和参数固定不变的缺点,分别设计带修正因子的模糊控制器和参数自调整模糊控制器,通过与常规模糊控制器仿真结果的比较可知,这两种控制器在动态性能和稳态性能方面都有所改善。针对模糊控制系统的不足,将模糊控制与PID控制结合进行归一型模糊PID控制器的设计,通过MATLAT仿真研究及与上述设计的控制器比较可知,归一型模糊PID控制器不但控制精度高,无稳态偏差,而且具有较好的动态性能,对球杆系统具有很好的控制效果。然后,分析球杆系统中存在的噪声干扰情况,对球杆系统进行基于卡尔曼滤波的PID控制器、常规模糊控制器、带修正因子的模糊控制器和归一型模糊PID控制器的仿真分析,通过对比加入卡尔曼滤波前后控制器的控制效果可知,球杆系统中加入卡尔曼滤波器对控制效果的改善起到具有十分重要的作用。最后,对论文的工作进行了总结,对未来的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 球杆系统国内外研究现状
• 1.3 模糊控制研究与发展
• 1.3.1 模糊控制的兴起
• 1.3.2 模糊控制的研究现状
• 1.3.3 模糊控制的研究进展
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 球杆系统数学模型的建立与分析
• 2.1 引言
• 2.2 球杆系统的介绍
• 2.2.1 球杆系统的构成
• 2.2.2 球杆系统的特性
• 2.2.3 球杆系统的控制结构
• 2.3 球杆系统数学模型的建立
• 2.3.1 球杆系统机械部分建模
• 2.3.2 球杆系统电气部分建模
• 2.4 球杆系统仿真模型的建立与分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 模糊控制器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 模糊控制理论介绍
• 3.3 传统PID控制器设计与仿真
• 3.3.1 PID控制基本原理
• 3.3.2 传统PID控制器的仿真
• 3.4 常规模糊控制器的设计与仿真
• 3.4.1 模糊控制器的结构及设计要求
• 3.4.2 常规模糊控制器的设计
• 3.4.3 常规模糊控制器的仿真
• 3.5 带修正因子的模糊控制器的设计与仿真
• 3.5.1 带修正因子的模糊控制器的原理与结构
• 3.5.2 带修正因子的模糊控制器的设计
• 3.5.3 带修正因子的模糊控制器的仿真
• 3.6 参数自调整模糊控制器的设计与仿真
• 3.6.1 参数自调整模糊控制器的原理与结构
• 3.6.2 参数自调整模糊控制器的设计
• 3.6.3 参数自调整模糊控制器的仿真
• 3.7 归一型模糊PID控制器的设计与仿真
• 3.7.1 归一型模糊PID控制器的原理与结构
• 3.7.2 归一型模糊PID控制器的设计
• 3.7.3 归一型模糊PID控制器的仿真
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于卡尔曼滤波的模糊控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 卡尔曼滤波理论的应用背景
• 4.3 卡尔曼滤波理论
• 4.4 基于卡尔曼滤波的控制系统设计与仿真
• 4.4.1 卡尔曼滤波器的设计
• 4.4.2 基于卡尔曼滤波的传统PID控制系统设计与仿真
• 4.4.3 基于卡尔曼滤波的常规模糊控制系统设计与仿真
• 4.4.4 基于卡尔曼滤波的带修正因子的模糊控制系统设计与仿真
• 4.4.5 基于卡尔曼滤波的归一型模糊PID控制系统设计与仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢