球杆系统控制器设计及MATLAB仿真

摘要

以球杆系统作为主体，系统中的小球作为被控对象，设计一个模糊控制器，控制小球在装置导轨上的运行状态，分析小球在导轨上的运行状态，以此来反映模糊控制器的控制性能。设计首先对球杆系统组成结构及其基本原理进行分析之后，建立一个相对简化后的球杆系统模型；运用相关的模糊控制原理，建立球杆系统模糊控制规则，再对球杆系统进行模糊控制器设计。并在MATLAB仿真环境下建立控制器的仿真模型，对球杆系统进行仿真，测试模糊控制器的控制性能。

针对球杆系统自身存在的不稳定特性，在进行仿真时加入闭环反馈控制环节，这样不但可以提高系统的稳定性，还可以提高控制的精度，相较于其他一般控制，它更具有独特优势，更符合人类思维。

球杆系统作为如今研究控制理论的经典案例，与模糊控制融合之后，能更好地表现模糊控制在自动控制方面的优良特性。

关键词：球杆系统；模糊控制；MATLAB建模

ABSTRACT

In the ball and beam system as the main body, the ball as a controlled object,design a fuzzy controller , to control the ball in the guide rail device running status. Analysis the ball movement on the guide rail, in order to reflect the fuzzy controller performance. First，the design analysis the composition structure and the basic principle of the ball and beam system , then establish a relatively simplified of the ball and beam system model; using the principle of fuzzy control, to establish fuzzy control rules of the ball and beam system, design a fuzzy controller to the ball and beam system. And in the MATLAB simulation environment, establish the simulation model of the controller, simulate the club system and test the control performance of the fuzzy controller.

For the ball and beam system own existence the instability characteristics, in the simulation by adding closed loop feedback control link, which can not only improve the system stability, but also can improve the control accuracy, compared with other general control, it is more unique advantages, more in line with human thinking.

Club system as a classic case in study control theory, and after fusion with fuzzy control, can performance the excellent characteristics of fuzzy control in the automatic control .

Key words: the ball and beam system；fuzzy control；MATLAB modeling

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题背景和研究意义 (1)

1.1.1 课题背景 (1)

1.1.2 课题的研究意义 (1)

1.2 模糊控制的发展及研究状况 (2)

1.2.1 模糊控制论的产生与发展 (2)

1.2.2 模糊控制论的研究和现状 (3)

2 球杆系统建模及仿真 (5)

2.1 球杆系统介绍 (5)

2.1.1 系统简述 (5)

2.1.2 系统组成 (5)

2.2 球杆系统建模 (6)

2.2.1 球杆系统数学模型建立 (6)

2.3 MATLAB建模 (7)

2.3.1 MATLAB软件介绍 (7)

2.3.2 球杆系统在MATLAB的模型建立 (7)

3 模糊控制器设计 (13)

3.1 模糊控制器概述及原理 (13)

3.2 模糊控制器结构 (13)

4 球杆系统的模糊控制器设计 (15)

4.1 模糊控制的实现 (16)

4.1.1 各个变量个论域 (16)

4.1.2 隶属度划分 (16)

4.1.3 模糊规则的建立 (18)

4.2 模型仿真 (20)

结束语 (22)

参考文献 (23)

致谢 (24)

1 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.1.1 课题背景

如今的世界已经迎来一场重要的信息革命了，而模糊理论的发展正好充分的印证了这次革命的必要。

第一次提出完全相异于传统数学和控制理论的模糊集合理论的是美国控制理论学者L.A.Zadeh，到后来的第一块包含模糊逻辑的智能芯片研发成功，只用了20年这短短的时间。这样的事实充分表明了模糊控制理论具有相当的可挖掘性和前瞻性。

正是因为模糊控制理论这门科学为如今这场信息革命提供了一种强有力的数学工具与手段，才使得它具有如此大的应用前景。模糊控制理论具有许多优点。

模糊控制理论用相对简单的可以让机器变得更灵活的软件或者硬件，使机器更具有智能性。如今已经加入模糊控制理论元素的许多产品和工业控制系统都提供了充分的证据。

模糊控制理论能为心理，教育，管理等许多学科的研究和发展提供更加合理化，具体化的数学语言和工具，这一点将会为软科学的研究提供最大程度的帮助。这也将决定模糊控制理论比其他的数学理论的应用程度更普遍。

模糊控制理论作为模糊控制的基础，在经过几十年的发展之后，它已经将人类实践操作经验完美的加入到自动控制的策略当中。

1.1.2课题的研究意义

在如今，人们对于工业制造过程中机器的控制智能和精度的要求不断提高，对非线性不稳定系统及复杂大系统等越来越看重，对其投入的研究资源也越来越多。正因为任何实际系统都具有非线性的特性，参数和结构都具有不确定性。非线性系统作为控制系统中一般的系统，相对于一般系统而言，除了强弱程度不同以外，它的特性致使它的局限性越来越明显。而模糊控制就是解决这一矛盾的重要手段之一。它在进行控制的过程中，切入点并不是系统的数学模型，而是将现场操作人员的经验及专家知识纳入其中，这将使它更具有人类思维，更易于实现人的控制。球杆系统作为一个经典的研究控制的平台，可以很方便的在实验室里研究关于非线性不稳定系统的建模和控制器的设计方面等很多需要解决的难点，所以，这个课题具有非常高的研究价值和研究前景。

球杆系统作为一个研究经典控制理论和现代控制理论的经典的教学实验平