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致 谢 33
参考文献 34
1绪论
1.1课题的目的和意义
球杆系统是控制理论研究中最为著名的实验设备之一,它是控制领域一个经典的实验对象，许多学者在控制理论的研究和试验中都运用到了球杆系统。该系统可实现已有的各种控制理论和方法,也可用于新控制方法和理论的检验。球杆系统是一个典型的非线性、开环不稳定系统,对其进行控制可以直观并且形象的反映出控制器的效果。球杆系统作为控制理论研究中一种比较理想的实验手段,为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台,以用来检验某种控制理论或方法的典型方案,促进了控制系统新理论、新思想的发展，因此研究球杆系统具有较强的现实意义。
球杆系统可实现多种控制方法,有经典控制理论中的PID控制、现代控制理论的神经网络控制、模糊控制、自适应控制等。常规PID控制具有原理简单,使用方便,鲁棒性好等优点,所以到今天为止,全世界控制领域中绝大多数仍是应用PID控制。但是，在多数情况下，被控对象存在时变性、非线性和不确定性等因素，若仍用常规PID控制,可能难以达到精确控制要求。而且对于复杂控制对象,由于受到参数整定方法繁琐的干扰,常规PID控制 器参数往往整定不良、性能欠佳，运行环境适应性也较差。因此本课题将试图采用先进的PID控制算法对球杆系统进行设计与研究，利用MATLAB仿真软件编制球杆系统的先进PID控制器并进行实时控制，以求提高控制性能并达到预期的性能指标，这对研究控制理论研究和实际应用有着现实的意义。
1.2国内外研究现状与水平
1.2.1控制理论
1.2.2 球杆系统国内外研究现状与水平
1.3 本课题研究的对象
(1)球杆系统的组成
球杆系统是一套典型的四阶非线性系统。对球杆系统的理论研究主要见于 国外的相关文献,对于这样的非线性系统,它的分析与设计往往比线性系统 要困难的多。把非线性动态特性线性化是实际工程控制人员通常采取的办法, 然后再用熟知的线性系统设计方法完成控制系统的分析与综合。
(2)PID控制和专家PID
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节，它实际上是一种算法。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
专家控制的实质是基于受控对象和控制规 律的各种知识, 以智能的方式来利用这些知识, 求得受控系统尽可能地优化和实用化, 它反映出智能控制的许多重要特征和功能。
(3) 利用MATLAB仿真软件编制球杆系统的控制器算法并仿真调试。
2 球杆系统的分析与建模
2.1 球杆系统概述
近二十多年来,以微分几何为主要工具发展起来的精确线性化方法,为解决一类非线性控制系统的分析与综合提供了强有力的手段,能够解决一定的应用背景的问题并具有理论意义,但是其缺点在于满足苛刻的条件,且结构复杂,因而研究非线性系统的近似处理方法就具有一定的理论意义,近似线性化方法被证明在平衡点的某一邻域内是有效的,误差可以接受,其线性化主要包括以下几种方法:伪线性化方法;扩展线性化方法;线性化族;近似输入/输出线性化;平均化法;最佳拟线性化法等。
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