球杆系统控制器设计及MATLAB仿真Word文档格式.docx
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关键词:
球杆系统;
模糊控制;
MATLAB建模
ABSTRACT
Intheballandbeamsystemasthemainbody,theballasacontrolledobject,designafuzzycontroller,tocontroltheballintheguideraildevicerunningstatus.Analysistheballmovementontheguiderail,inordertoreflectthefuzzycontrollerperformance.First,thedesignanalysisthecompositionstructureandthebasicprincipleoftheballandbeamsystem,thenestablisharelativelysimplifiedoftheballandbeamsystemmodel;
usingtheprincipleoffuzzycontrol,toestablishfuzzycontrolrulesoftheballandbeamsystem,designafuzzycontrollertotheballandbeamsystem.AndintheMATLABsimulationenvironment,establishthesimulationmodelofthecontroller,simulatetheclubsystemandtestthecontrolperformanceofthefuzzycontroller.
Fortheballandbeamsystemownexistencetheinstabilitycharacteristics,inthesimulationbyaddingclosedloopfeedbackcontrollink,whichcannotonlyimprovethesystemstability,butalsocanimprovethecontrolaccuracy,comparedwithothergeneralcontrol,itismoreuniqueadvantages,moreinlinewithhumanthinking.
Clubsystemasaclassiccaseinstudycontroltheory,andafterfusionwithfuzzycontrol,canperformancetheexcellentcharacteristicsoffuzzycontrolintheautomaticcontrol.
Keywords:
theballandbeamsystem;
fuzzycontrol;
MATLABmodeling
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
2.3MATLAB建模………………………………………………………………7
2.3.1MATLAB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台之一,它是研究控制技术方面的重要的实验研究对象。
球杆系统除了跟普通控制系统有相同或相类似的性质之外,在实际实验过程中,小球在水平导轨上运动时,运动的状态是不稳定的,我们无法实施有效的操作可以让小球停留在人为指定的位置,这就是球杆系统相对于其他一般系统的不同之处的特性之一:
开环不稳定性。
由于球杆系统特有的不稳定性,球杆系统可以应用到很多领域当中,具有很大的通用性,不但可以直观的观察自动控制方面许多控制器的控制性能,还可以验证以前的研究成果的准确性甚至可以发现和研究还未被证实的科学定理。
这些先天具有的优势都极大地促进了球杆系统研究的发展和控制理论的蓬勃发展。
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
现代控制理论在近几十年来,在工业、农业、军事、航空方面的应用越来越普遍,都取得了成功的应用。
比如极小值原理应用于最优控制,预测控制应用于大滞后过程等,但这些控制过程都必须有一个基本要求:
建立被控对象的精确数学模型。
伴随科学技术飞速发展的同时,科技生活等各个领域对自动控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性等的要求也愈加提高,研究涉及的系统也更加复杂多变。
但在实际研究过程中,会遇到一列的难点瓶颈,例如被控对象的非线性、时变性、外界环境因素的干扰、运行过程的复杂性、实际情况的不确定性等因素致使在实际研究过程中难以建立被控对象的精确模型。
在遇到难以建立适合数学模型的复杂对象,传统的数学控制方法反倒不如一个有实际操作经验的人员对其进行手动控制。
这一点是基于人脑有能力对模糊事物有一定的识别能力和判决能力,那些看起来不确定的模糊手段往往可以很轻松的达到预想的目的。
人因为具有天生的学习能力,所以在实际操作过程中可以不断的积累经验,利用已有的操作经验对被控对象进行控制,这些经验信息往往是用自然语言表达的,所以是定性的描述,具有模糊性。
因为这种特性不能采用已有的定量控制理论对其进行处理,所以必须得研究出一种新的理论和方法。
事实上,模糊现象的存在已经是人们无法回避的了。
早在100多年前,就已经有人在研究如何将客观上存在的模糊现象用语言描述出来。
1923年,B.Russell有一篇关于“含糊性”的论文,其中提到了关于含糊和精确其实是语言的属性,都不是现实中存在的东西。
语言都是模糊的,就像“红色的”和“新的”都不是清晰地。
1937年M.Black发表的一篇文章当中就说过“轮廓一致”的概念,这一观点可以当成是后来扎德提出隶属函数的启蒙,他还提出模糊集合和子集合的定义。
所以,事实上他既是模糊集合的最开始的鼻祖。
在当时,也有其他人意识到模糊现象是普遍存在在现实中的,爱因斯坦就提出过这类思想观点。
而且在这个时候还有人发觉传统的二值逻辑有很大的局限性,它并不能真实的反映现实世界。
传统逻辑并不能适用在现实生活,它只适合在想象中的理想状态。
L.A.Zadeh发表的模糊集合理论,它的核心部分是对复杂的系统使用一种语言分析的数学模式,让自然语言在正常情况下转化成电脑能接收的算法语言。
正是模糊集合理论的产
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