基于闭环特征参数的球杆系统自适应PID控制策略

摘要

球杆系统是为自动控制、机械电子、电气工程等专业的基础控制课程而设计的教学实验设备，因为球杆系统具有开环不稳定的特性，需要设计控制器才能控制小球的位置。球杆系统结构简单、直观明了，可满足自动控制原理、现代控制工程等课程的实验要求，也可以作为电机学、电机与拖动、模式识别等课程的实验设备。
　　球杆系统的控制方法多种多样，经典控制理论中的PID控制、根轨迹控制，现代控制理论的模糊控制、神经网络控制、自适应控制等，都可以在球杆系统中得以实现。其中，自适应PID控制由于易于对不确定性系统或非线性系统进行控制、对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性、对外界的干扰有较强的抑制能力等特点，近年来得到了广泛的发展和应用。本文的目的就是设计一种基于闭环特征参数的自适应PID控制器，对球杆系统进行控制。
　　本文深入分析了球杆系统的结构特点以及影响球杆系统稳定性的因素，利用牛顿力学方程建立了球杆系统的数学模型。经过近似的线性化和适当的简化处理后，得到了易于计算机计算的离散数学模型，根据其数学模型的参数时变特点设计了自校正PID控制器。本文设计的基于闭环特征参数的自适应PID控制器是由内环和外环两个环路构成的。内环由被控对象和可调参数的控制器组成，外环由对象参数递推估计器和控制器参数设计机构组成。其中最主要的是外环部分，首先由递推参数估计器在线估计被控对象参数，用以代替对象的未知参数，然后由设计机构按一定的规则对可调控制器的参数进行在线求解，用以修改内环的控制器参数，以达到使小球稳定于平衡位置的控制目的。
　　本文最后对所设计的自适应PID控制器进行了仿真实验研究，将其控制效果与传统PID控制器的控制效果进行对比，结果表明了此控制器具有良好的控制效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 球杆系统国内外的研究现状

1．3 自适应PID控制简介

1．4 本文研究的主要内容

2 球杆系统的数学模型

2．1 球杆系统的原理及结构

2．1．1 球杆系统简述

2．1．2 球杆系统结构

2．2 球杆系统数学建模

2．2．1 直流伺服电机模型

2．2．2 球杆系统的角度模型

2．2．3 球杆系统机械模型

2．3 球杆系统的控制方案和噪声分析

2．4 本章小结

3 球杆系统的参数估计

3．1 系统辨识和参数估计的一般概念

3．2 被控对象的一般模型

3．3 最小二乘参数估计方法

3．3．1 最小二乘参数估计标准算法

3．3．2 递推最小二乘算法

3．3．3 渐消记忆的最小二乘递推算法

3．4 闭环系统的可辨识性及可辨识条件

3．5 球杆系统的最小二乘参数估计及仿真分析

3．6 本章小结

4 球杆系统的自适应PID控制器设计

4．1 典型二阶系统的一般问题

4．1．1 二阶系统传递函数标准形式及其分类

4．1．2 二阶系统的特征参数及动态性能

4．2 常规PID控制方案

4．3 基于闭环特征参数的自适应PID控制方案

4．3．1 自校正控制的概念

4．3．2 极点配置方法

4．3．3 基于闭环特征参数的极点配置自校正PID控制算法

4．4 球杆系统的自校正PID控制策略

4．5 本章小结

5 球杆系统在MATLAB环境下的控制仿真与试验

5．1 球杆系统的数字仿真模型

5．2 球杆系统在Simulink环境下的实时控制

5．3 球杆系统的传统PID控制仿真与试验

5．3．1 球杆系统的比例控制

5．3．2 球杆系统的比例微分控制

5．3．3 球杆系统的比例积分微分控制

5．4 基于闭环特征参数的球杆系统自适应PD控制试验

5．5 自校正PID与普通PID控制的方波信号响应比较

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢