球杆系统的模糊控制仿真研究

论文摘要

球杆设备是学习和研究控制理论的重要平台之一。对球杆设备的研究可以归结为对非线性系统和不稳定系统的研究,这类复杂控制对象难以用数学公式进行精确描述,采用经典控制方法也难取得好的控制效果。因此,对于球杆系统,获取不依赖于数学模型的控制方法具有十分重要的意义。本文基于德国Amira公司设计的BW500型球杆实验设备,首先利用拉格朗日第二方程建立了球杆系统的非线性模型,在线性化基础上对系统进行定性分析,指出球杆设备为本质不稳定对象,在平衡点处有强烈自振荡,具有可控系数小、不容易控制等特性。其次,针对BW500型球杆设备自身的特点,基于模糊控制理论提出双闭环模糊控制对策。文中结合球杆设备的运动过程,提炼出小球位置与横杆角度的规则库和横杆角度与动力输入的规则库,在MATLAB/Simulink环境下搭建了系统的非线性模型,仿真结果证明,采用双闭环模糊控制,球杆系统具有较快的输出响应。最后,在对比分析模糊控制和PID控制的优劣基础上,对球杆系统进行改进模糊PID自整定控制器设计。文中利用模糊控制器对PID参数进行在线整定和修正,通过系统分析PID参数对误差及误差变化的影响,提炼出误差及误差变化对PID参数修正值的规则库,在MATLAB/Simulink环境下进行试验,实现了PID参数的在线整定,比采用单纯模糊控制器具有更优的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 模糊控制的发展及研究状况
• 1.2.1 模糊控制论的产生与发展
• 1.2.2 模糊控制论的现状
• 1.3 球杆系统控制的研究状况
• 1.3.1 球杆系统特性的认识
• 1.3.2 球杆系统的控制策略
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 球杆系统的建模与分析
• 2.1 球杆系统的简介
• 2.1.1 系统的构成
• 2.1.2 系统的工作原理
• 2.2 球杆系统的建模
• 2.2.1 拉格朗日方程
• 2.2.2 球杆系统的模型
• 2.2.3 球杆系统的性能分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 模糊控制的基本原理及分析
• 3.1 模糊控制器的基本原理
• 3.1.1 模糊控制系统的基本结构
• 3.1.2 模糊控制器的基本结构
• 3.1.3 模糊控制器的设计
• 3.2 模糊控制的动态分析
• 3.2.1 影响模糊控制动态性能的因素
• 3.2.2 模糊控制动态性能的改善
• 3.3 本章小结
• 第4章 球杆系统的模糊控制
• 4.1 引言
• 4.2 模糊控制器的设计
• 4.2.1 模糊控制器整体结构设计
• 4.2.2 模糊控制的实现
• 4.3 仿真试验
• 4.4 本章小结
• 第5章 球杆系统的模糊-PID 控制
• 5.1 引言
• 5.2 PID 控制
• 5.2.1 PID 控制原理
• 5.2.2 PID 控制的发展和局限性
• 5.3 模糊-PID 复合控制
• 5.3.1 模糊控制的局限性
• 5.3.2 模糊PID 参数自整定设计
• 5.4 仿真试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢