球杆系统的模糊PID控制研究

论文摘要

球杆系统是控制理论研究中最为著名的实验设备之一,许多学者在控制理论中的研究都通过球杆系统进行验证。球杆系统受到如此广泛的应用,是因为它有一些很重要的性质,例如其非线性特性、开环不稳定特性等,许多经典的或者现代的设计方法都可以应用到球杆系统中,它成为检验控制理论的理想的实验装置。对球杆系统进行控制的方法多种多样,从经典控制理论中的PID控制、到现代控制理论的模糊控制、神经网络控制、自适应控制等,都可以在球杆系统中得以实现。其中,模糊控制由于具有易于对不确定系统或非线性系统进行控制、对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性、对外界的干扰有较强的抑制能力等特点,近年来得到了广泛的发展和应用。本文的目的就是设计一种模糊PID控制器,对球杆系统进行控制。本文在深入分析球杆系统的结构特点,以及影响球杆系统稳定的因素的前提下,利用拉格朗日方程确定球杆系统的数学模型,进行线性化和适当简化,得到易于控制又不失精确性的最终的数学模型。进而根据数学模型设计模糊PID控制器。本文设计的控制器为模糊参数自适应控制器,以系统偏差和偏差的变化率为输入量,通过合适的参数整定方法获得PID的初步参数,引入模糊自适应环节在线自动调整PID参数,实现控制规则和PID参数的在线优化,从而达到使小球以最快速度达到稳定平衡位置的控制目的。最后对所设计的模糊PID控制器进行仿真实验研究,将其控制效果与传统PID控制器、单一的模糊控制器进行比较,结果表明此控制器具有良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 球杆系统研究现状
• 1.3 模糊控制理论概况
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 球杆系统建模
• 2.1 球杆系统介绍
• 2.2 球杆系统数学模型建立
• 2.2.1 拉格朗日方程介绍
• 2.2.2 球杆系统机械模型的建立
• 2.2.3 球杆系统电气模型的建立
• 2.3 本章小结
• 第3章 模糊控制概述
• 3.1 引言
• 3.2 模糊控制的发展及特点
• 3.2.1 模糊控制的发展
• 3.2.2 模糊控制的特点
• 3.3 模糊控制数学基础
• 3.3.1 模糊集合
• 3.3.2 隶属度函数
• 3.3.3 模糊关系
• 3.3.4 模糊语言与语言变量
• 3.3.5 模糊推理
• 3.3.6 模糊向清晰的转换
• 3.4 模糊控制器的结构和组成
• 3.4.1 模糊控制系统的组成
• 3.4.2 模糊控制器的组成
• 3.4.3 模糊控制器的结构
• 3.5 模糊控制器的设计
• 3.6 模糊控制的局限性
• 3.7 模糊PID控制器的发展
• 3.8 本章小结
• 第4章 模糊自适应PID控制器设计
• 4.1 模糊自适应PID概述
• 4.1.1 PID控制
• 4.1.2 模糊自适应PID控制原理
• 4.2 模糊自适应PID控制算法的实现
• 4.2.1 输入输出量的选取与模糊化
• 4.2.2 模糊控制规则库的设计
• 4.2.3 模糊PID控制器的解模糊
• 4.2.4 模糊自适应PID工作的流程
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于Matlab的仿真分析
• 5.1 Matlab仿真工具简介
• 5.2 Matlab仿真结果分析比较
• 5.2.1 仿真模型的建立及仿真结果
• 5.2.2 与其他类型控制器的比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢