板-球系统模型预测控制器的设计与实现

摘要

板-球系统是典型的非线性系统，是球-杆系统的二维扩展，是一个多变量非线性的双输入双输出控制系统。其控制对象是具有两个相互垂直的旋转轴的平面板，控制目标是让一个自由滚动的小球能平衡在板上特定的位置或者沿一定的轨迹运动。其自身的非线性和多变量特点尤其适用于各种新型控制方法的开发和实验验证，是经典控制理论、现代控制理论以及先进控制理论研究验证的理想实验平台。预测控制是20世纪70年代后期提出的一类先进计算机控制算法。最初是为了满足石油工业和电力系统等过程控制系统的控制需要，至今，已经在石油、化工、食品加工、冶金和造纸等行业得到了广泛的应用。并开始在伺服控制中应用。模型预测控制是目前应用得最广泛也最为成功的一种先进控制策略,具有控制效果好、抗干扰性强、鲁棒性强等优点。
　　本课题在详细介绍了板-球系统的研究意义和研究现状和阐述模型预测控制与预测函数控制的发展和研究现状。通过分析板-球系统的机械结构，给出板-球系统的简化数学模型。提出板-球系统的总体控制结构。分析预测控制的基本原理、基本控制结构和优缺点。详细推导预测函数控制的应用步骤。用PID、模糊PD和预测控制方法对板-球系统的简化数学模型，进行Matlab控制仿真。通过仿真结果初步对比了预测函数控制算法与 PID及模糊 PD控制的控制效果。随后按照器件选型、硬件设计和软件设计的顺序搭建板-球系统。

目录

第1章 绪论

1.1课题研究意义

1.2板-球系统及预测控制的研究现状

1.3本课题的研究目的及主要内容

第2章 板-球系统控制流程介绍和系统建模

2.1板-球系统的结构分析和建模

2.2板-球控制系统整体控制架构

第3章 预测控制

3.1基本结构和基本原理

3.2预测控制的特点和优势

3.3预测函数控制

3.4本章小结

第4章 板-球系统简化模型的仿真控制

4.1 PID对板-球系统的控制器设计

4.2模糊PD控制对板-球系统的控制

4.3板-球系统的预测控制

4.4本章小结

第5章 板-球系统的搭建及预测控制器的实现

5.1系统设备的具体选型

5.2硬件电路设计

5.3控制系统软件设计

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结研究成果

6.2改进建议

附录A 部分源程序

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果