球桿系統(tǒng)控制器設(shè)計及MATLAB仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要以球桿系統(tǒng)作為主體，系統(tǒng)中的小球作為被控對象，設(shè)計一個模糊控制器，控制小球在裝置導(dǎo)軌上的運行狀態(tài)，分析小球在導(dǎo)軌上的運行狀態(tài)，以此來反映模糊控制器的控制性能。設(shè)計首先對球桿系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及其基本原理進行分析之后，建立一個相對簡化后的球桿系統(tǒng)模型；運用相關(guān)的模糊控制原理，建立球桿系統(tǒng)模糊控制規(guī)則，再對球桿系統(tǒng)進行模糊控制器設(shè)計。并在MATLAB仿真環(huán)境下建立控制器的仿真模型，對球桿系統(tǒng)進行仿真，測試模糊控制器的控制性能。針對球桿系統(tǒng)自身存在的不穩(wěn)定特性，在進行仿真時加入閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)，這樣不但可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以提高控制的精度，相較于其他一般控制，它更具有

2、獨特優(yōu)勢，更符合人類思維。球桿系統(tǒng)作為如今研究控制理論的經(jīng)典案例，與模糊控制融合之后，能更好地表現(xiàn)模糊控制在自動控制方面的優(yōu)良特性。關(guān)鍵詞：球桿系統(tǒng)；模糊控制；MATLAB建模專心-專注-專業(yè) 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

3、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 establ

4、ish 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 b

5、eam 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 hu

6、man 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 錄1 緒論1 1.1 課題背景和研究意義 1 1.1.1 課題背景1 1.1.

7、2 課題的研究意義1 1.2 模糊控制的發(fā)展及研究狀況 2 1.2.1 模糊控制論的產(chǎn)生與發(fā)展2 1.2.2 模糊控制論的研究和現(xiàn)狀32 球桿系統(tǒng)建模及仿真5 2.1 球桿系統(tǒng)介紹 5 2.1.1 系統(tǒng)簡述5 2.1.2 系統(tǒng)組成5 2.2 球桿系統(tǒng)建模 6 2.2.1 球桿系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立6 2.3 MATLAB建模 7 2.3.1 MATLAB軟件介紹7 2.3.2 球桿系統(tǒng)在MATLAB的模型建立73 模糊控制器設(shè)計13 3.1 模糊控制器概述及原理 13 3.2 模糊控制器結(jié)構(gòu) 134 球桿系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計15 4.1 模糊控制的實現(xiàn) 16 4.1.1 各個變量個論域16 4.1.

8、2 隸屬度劃分16 4.1.3 模糊規(guī)則的建立18 4.2 模型仿真20結(jié)束語 22參考文獻 23致謝 241 緒論1.1 課題背景和研究意義1.1.1 課題背景如今的世界已經(jīng)迎來一場重要的信息革命了，而模糊理論的發(fā)展正好充分的印證了這次革命的必要。第一次提出完全相異于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)和控制理論的模糊集合理論的是美國控制理論學(xué)者L.A.Zadeh，到后來的第一塊包含模糊邏輯的智能芯片研發(fā)成功，只用了20年這短短的時間。這樣的事實充分表明了模糊控制理論具有相當?shù)目赏诰蛐院颓罢靶?。正是因為模糊控制理論這門科學(xué)為如今這場信息革命提供了一種強有力的數(shù)學(xué)工具與手段，才使得它具有如此大的應(yīng)用前景。模糊控制理論具有

9、許多優(yōu)點。模糊控制理論用相對簡單的可以讓機器變得更靈活的軟件或者硬件，使機器更具有智能性。如今已經(jīng)加入模糊控制理論元素的許多產(chǎn)品和工業(yè)控制系統(tǒng)都提供了充分的證據(jù)。模糊控制理論能為心理，教育，管理等許多學(xué)科的研究和發(fā)展提供更加合理化，具體化的數(shù)學(xué)語言和工具，這一點將會為軟科學(xué)的研究提供最大程度的幫助。這也將決定模糊控制理論比其他的數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用程度更普遍。模糊控制理論作為模糊控制的基礎(chǔ)，在經(jīng)過幾十年的發(fā)展之后，它已經(jīng)將人類實踐操作經(jīng)驗完美的加入到自動控制的策略當中。 1.1.2課題的研究意義在如今，人們對于工業(yè)制造過程中機器的控制智能和精度的要求不斷提高，對非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)及復(fù)雜大系統(tǒng)等越來越看

10、重，對其投入的研究資源也越來越多。正因為任何實際系統(tǒng)都具有非線性的特性，參數(shù)和結(jié)構(gòu)都具有不確定性。非線性系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)中一般的系統(tǒng)，相對于一般系統(tǒng)而言，除了強弱程度不同以外，它的特性致使它的局限性越來越明顯。而模糊控制就是解決這一矛盾的重要手段之一。它在進行控制的過程中，切入點并不是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而是將現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗及專家知識納入其中，這將使它更具有人類思維，更易于實現(xiàn)人的控制。球桿系統(tǒng)作為一個經(jīng)典的研究控制的平臺，可以很方便的在實驗室里研究關(guān)于非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)的建模和控制器的設(shè)計方面等很多需要解決的難點，所以，這個課題具有非常高的研究價值和研究前景。球桿系統(tǒng)作為一個研究經(jīng)典控制理論和

11、現(xiàn)代控制理論的經(jīng)典的教學(xué)實驗平臺之一，它是研究控制技術(shù)方面的重要的實驗研究對象。球桿系統(tǒng)除了跟普通控制系統(tǒng)有相同或相類似的性質(zhì)之外，在實際實驗過程中，小球在水平導(dǎo)軌上運動時，運動的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，我們無法實施有效的操作可以讓小球停留在人為指定的位置，這就是球桿系統(tǒng)相對于其他一般系統(tǒng)的不同之處的特性之一：開環(huán)不穩(wěn)定性。由于球桿系統(tǒng)特有的不穩(wěn)定性，球桿系統(tǒng)可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域當中，具有很大的通用性，不但可以直觀的觀察自動控制方面許多控制器的控制性能，還可以驗證以前的研究成果的準確性甚至可以發(fā)現(xiàn)和研究還未被證實的科學(xué)定理。這些先天具有的優(yōu)勢都極大地促進了球桿系統(tǒng)研究的發(fā)展和控制理論的蓬勃發(fā)展。1.2

12、模糊控制的發(fā)展及研究狀況1.2.1 模糊控制論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論在近幾十年來，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、航空方面的應(yīng)用越來越普遍，都取得了成功的應(yīng)用。比如極小值原理應(yīng)用于最優(yōu)控制，預(yù)測控制應(yīng)用于大滯后過程等，但這些控制過程都必須有一個基本要求：建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。伴隨科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的同時，科技生活等各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等的要求也愈加提高，研究涉及的系統(tǒng)也更加復(fù)雜多變。但在實際研究過程中，會遇到一列的難點瓶頸，例如被控對象的非線性、時變性、外界環(huán)境因素的干擾、運行過程的復(fù)雜性、實際情況的不確定性等因素致使在實際研究過程中難以建立被控對象的精確模型。在遇

13、到難以建立適合數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)控制方法反倒不如一個有實際操作經(jīng)驗的人員對其進行手動控制。這一點是基于人腦有能力對模糊事物有一定的識別能力和判決能力，那些看起來不確定的模糊手段往往可以很輕松的達到預(yù)想的目的。人因為具有天生的學(xué)習(xí)能力，所以在實際操作過程中可以不斷的積累經(jīng)驗，利用已有的操作經(jīng)驗對被控對象進行控制，這些經(jīng)驗信息往往是用自然語言表達的，所以是定性的描述，具有模糊性。因為這種特性不能采用已有的定量控制理論對其進行處理，所以必須得研究出一種新的理論和方法。事實上，模糊現(xiàn)象的存在已經(jīng)是人們無法回避的了。早在100多年前，就已經(jīng)有人在研究如何將客觀上存在的模糊現(xiàn)象用語言描述出來。

14、1923年，B.Russell有一篇關(guān)于“含糊性”的論文，其中提到了關(guān)于含糊和精確其實是語言的屬性，都不是現(xiàn)實中存在的東西。語言都是模糊的，就像“紅色的”和“新的”都不是清晰地。1937年M.Black發(fā)表的一篇文章當中就說過“輪廓一致”的概念，這一觀點可以當成是后來扎德提出隸屬函數(shù)的啟蒙，他還提出模糊集合和子集合的定義。所以，事實上他既是模糊集合的最開始的鼻祖。在當時，也有其他人意識到模糊現(xiàn)象是普遍存在在現(xiàn)實中的，愛因斯坦就提出過這類思想觀點。而且在這個時候還有人發(fā)覺傳統(tǒng)的二值邏輯有很大的局限性，它并不能真實的反映現(xiàn)實世界。傳統(tǒng)邏輯并不能適用在現(xiàn)實生活，它只適合在想象中的理想狀態(tài)。L.A.Z

15、adeh發(fā)表的模糊集合理論，它的核心部分是對復(fù)雜的系統(tǒng)使用一種語言分析的數(shù)學(xué)模式，讓自然語言在正常情況下轉(zhuǎn)化成電腦能接收的算法語言。正是模糊集合理論的產(chǎn)生，為人們在處理一些客觀性的模糊性問題時提供有力的工具，也正是這一理論的產(chǎn)生為自適應(yīng)科學(xué)的發(fā)展解決了難題。在這種情況下，模糊控制理論作為模糊數(shù)學(xué)的一個分支便產(chǎn)生了。 在論文前段提到的L.A.Zadeh教授是模糊集合和模糊控制的創(chuàng)始人，將模糊集合的概念引入控制器當中，1.2.2 模糊控制論的研究和現(xiàn)狀 雖然模糊控制到今天為止經(jīng)歷的時間并不長，但是從其發(fā)展的速度以及現(xiàn)階段取得的成就來看，模糊控制在它多領(lǐng)域的應(yīng)用中，重點是家電、大滯后系統(tǒng)控制等方面可

16、以說是碩果累累。在這里，將其在理論研究、產(chǎn)品及應(yīng)用方面介紹模糊控制的現(xiàn)狀。 在論文前段提到的L.A.Zadeh教授是模糊集合和模糊控制的創(chuàng)始人，將模糊集合的概念引入控制器當中，可以把人類的思維過程、判斷方式用簡潔的數(shù)學(xué)形式直接的表現(xiàn)，從而可以將符合人類思維方式的、符合實際情況的處理方式融入到對復(fù)雜系統(tǒng)的控制當中，為經(jīng)典模糊控制器的形成與發(fā)展鋪就了道路。1972年以東京大學(xué)為中心的“模糊系統(tǒng)研究會”的成立是為加快模糊控制理論研究腳步的第一次嘗試。雖然模糊控制理論迄今為止只有短短的30多年光陰，但其發(fā)展速度和研究成果足以讓世界對其予以重視。這么多年來，模糊控制在模糊理論與算法、工業(yè)控制應(yīng)用、穩(wěn)定性

17、研究等多方面，都取得了太多的研究成果。 從80年代開始，在自動控制系統(tǒng)中充當被控對象的復(fù)雜程度越來越高，被控對象不僅表現(xiàn)在多輸入-多輸出的強耦合性、參數(shù)時變性，更多的體現(xiàn)是能從系統(tǒng)控制對象看出的狀態(tài)信息越來越少，卻對被控對象具有的性能的要求越來越高等方面。到如今為止，全世界專門研究模糊理論的學(xué)者和專家已多達萬人，發(fā)表在報紙，期刊，學(xué)術(shù)論壇的重要論文已超過5000篇，研究范圍更是囊括了從單純的模糊數(shù)學(xué)到模糊理論應(yīng)用等多個方面。當全世界已經(jīng)開始研究模糊理論的時候，我國的模糊控制還未起步，但相較于起步較晚，我國在對模糊控制的研究方面也未曾落后，發(fā)展速度很快。模糊控制方面、模糊辨識、模糊圖像的處理、模

18、糊模式的識別等多個領(lǐng)域都取得了很多具有實際影響力的成果。如1979年李寶綬等研究人員采用連續(xù)數(shù)字仿真方法研究典型模糊控制器的性能；1981年成立了中國第一個模糊數(shù)學(xué)學(xué)會，并創(chuàng)辦了在當時學(xué)術(shù)界的第二份模糊專業(yè)學(xué)術(shù)雜志模糊數(shù)學(xué)。 模糊控制取得的應(yīng)用成果迄今為止也是相當豐富，主要的成果：美國1984年開發(fā)出“模糊推理決策支持系統(tǒng)”；1983年日本九州大學(xué)戶貝博士研究了將模糊推理作為硬件的模糊集成塊，研制成了回來推理機及模糊控制用的“模糊計算機”；1986年中國的于志杰等研究人員使用單片機研究成功了工業(yè)用模糊控制器；緊接著，又有人在氣練機、玻璃窯爐等控制系統(tǒng)中成功融入了模糊控制方法。在如今這個科學(xué)技術(shù)

19、高速發(fā)展的時代，完全可以預(yù)想，模糊控制理論將會不斷的完善，應(yīng)用領(lǐng)域也會更加廣泛。 2 球桿控制系統(tǒng)的模型建立及其MATLAB仿真2.1 球桿控制系統(tǒng)介紹2.1.1 球桿控制系統(tǒng)簡述球桿系統(tǒng)是一個開環(huán)的不穩(wěn)定的物理控制系統(tǒng)，在研究過程中，操作方便，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，能把許多模糊的不明確的控制對象利用運動學(xué)規(guī)律的方式在示波器上用波形的形式表現(xiàn)出來，對于自動控制方面的實驗具有很高的利用價值。球桿控制系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1 球桿控制系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖在 實 驗 過 程 中，處 于 水 平 軌 道 內(nèi) 的小 鋼 球 可 以 自 由 地 運 動 ，水 平 軌 道 的 一 端 被 固 定 ，未

20、 被 固 定 的 一 端 通 過 一 根 不 銹 鋼 桿 與 系 統(tǒng) 的 另 一 個 部 分 伺 服 電 機 相 連 接 ；伺 服 電 機 的 轉(zhuǎn) 動 會 帶 動 軌 道 做 上 下 往 復(fù) 運 動 ，以 此 來 改 變 軌 道 與 水 平 線 的 角 度 ，通 過 這 樣 的 方 式 來 控 制 小 球 在 導(dǎo) 軌 上 的 運 動 過 程 。在 軌 道 上 安 裝 一 個 位 移 傳 感 器 來 感 應(yīng) 小 球 在 軌 道 上 的 實 時 位 置 。在 系 統(tǒng) 中 ，我 們 還 需 要 加 入 一 個 閉 環(huán) 反 饋 控 制 器 ，通 過 電 機 的 齒 輪 傳 動 來 調(diào) 整 導(dǎo) 軌 和

21、水 平 線 之 間 的 夾 角 ，這 樣 ，在 我 們 研 究 球 桿 系 統(tǒng) 的 過 程 中 就 可 以 很 方 便 的 控 制 小 球 的 運 動 狀 態(tài)。2.1.2 系統(tǒng)組成整個系統(tǒng)由球桿運動機構(gòu)（包含齒輪和四連桿機構(gòu)）、控制器、傳感器和直流電源等部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成相對來說很簡單，我們在熟悉系統(tǒng)操作時也很容易。球桿系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示：圖2 球桿系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)簡圖2.2 球桿系統(tǒng)建模 將鋼球放在由橫桿組成的水平軌道上，讓橫桿繞左側(cè)固定端做圓周運動，控制橫桿與水平線的角度，掌握鋼球的運動狀態(tài)。由于在實際操作過程中存在干擾的情況，鋼球很難運動到它原先的地方，所以我們得采用相應(yīng)的測電

22、壓的傳感器，檢測鋼球在橫桿上的實時位置，之后用一個包含閉環(huán)的控制器配合，用來檢測鋼球的位置。這樣就能讓球桿系統(tǒng)的機械動作得到調(diào)節(jié)。對小球在導(dǎo)軌上滾動的動態(tài)過程的完整描述是非常復(fù)雜的，設(shè)計者的目的是對于該控制系統(tǒng)給出一個相對簡單的模型。 實際上使小球在導(dǎo)軌上加速滾動的力是小球的重力在同導(dǎo)軌平行方向上的分力同小球受到的摩擦力的合力?？紤]小球滾動的動力學(xué)方程，小球在V型桿上滾動的加速度： (1)其中 m小球質(zhì)量(28g)； J小球的轉(zhuǎn)動慣量； R小球半徑(14.5mm)； r小球位置偏移； g重力加速度； 橫桿偏角；又有： (2)由于實際摩擦力較小，忽略摩擦力，并由于較小，因此可以忽略此項的影響，其

23、基本的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成如下方式： (3)當0的時刻進行模糊控制的閉環(huán)控制。通過示波器查看系統(tǒng)狀態(tài)。在輸入端接入一個恒定的參考值，作為平衡位置，值為0.2。開始仿真，點擊示波器輸出顯示模塊，觀察波形的走勢，分析小球在導(dǎo)軌上的運動狀態(tài)。圖28 小球的位置曲線在圖28中，在鋼球剛開始運動的時候，其位置與平衡位置有較大差距，此時，控制器就開始發(fā)揮作用，發(fā)出一個持續(xù)信號通過伺服電機調(diào)整橫桿的傾斜角，在無外界影響的情況下鋼球?qū)艿揭幌盗谐掷m(xù)控制，最后達到平衡位置。通過仿真圖可以看出，波形表明本次設(shè)計在仿真上達到預(yù)期效果，設(shè)計成功。結(jié)束語本論文主要涉及的是球桿系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計。在本次設(shè)計中，由于我們專業(yè)

24、并未設(shè)置智能控制這門課程，所以在一開始的時候我就遇到了困難，我們沒有學(xué)過模糊控制，所以我只能從頭開始查資料進行理論學(xué)習(xí)，模糊算法，模糊規(guī)則，模糊控制器設(shè)計這一個個概念都得慢慢摸透才能進行下一步工作，在學(xué)習(xí)過程中免不了一而再再而三的麻煩老師，請教老師。在進入到球桿系統(tǒng)在MATLAB軟件中的仿真時，因為MATLAB這個軟件是我們大二時學(xué)的，時間已經(jīng)過去這么久了，對軟件的使用有些生疏，所以在剛開始做仿真時一頭霧水，不知道該如何下筆，在虛心問過了同專業(yè)的學(xué)弟學(xué)妹之后才有點頭緒，建立模糊規(guī)則，球桿系統(tǒng)封裝，simulink仿真環(huán)境，仿真過程中的調(diào)試，都耗費了我無數(shù)時間。在本次設(shè)計的過程中，在這持續(xù)的一個

25、多月時間里，我經(jīng)歷過無數(shù)的心酸與彷徨，無數(shù)個熬夜做論文的夜晚，夜深人靜時獨自一人奮斗的孤獨，遇到難題時只能一個人獨自承受的傷感。但不得不說，正是這樣的一段艱苦奮斗的時光，讓我仿佛找回了高中時那種學(xué)習(xí)的熱誠，讓我意識到似乎這種狀態(tài)才是我該有的精神狀態(tài)，不怕苦，不怕累。從最開始的茫然無措，到后來的得心應(yīng)手，自我感覺學(xué)習(xí)到了很多對自己來說非常有用的東西，包括在當初學(xué)習(xí)MATLAB軟件時我沒有弄懂的現(xiàn)在也理解了不少。在之前的這一個多月時間里，由于畢業(yè)設(shè)計的需要，我在圖書館借了不少關(guān)于模糊控制，球桿系統(tǒng)這方面的專業(yè)書籍，例如模糊控制及其MATLAB應(yīng)用、模糊控制原理與應(yīng)用等這些書對我這次的畢業(yè)設(shè)計相當有幫助，給我的設(shè)計提供了不少的理論依據(jù)。通過這段時間的學(xué)習(xí)，我了解了許多關(guān)于控制策略的資料，學(xué)習(xí)了許多以前沒接觸過的專業(yè)知識，充實了自身，提高了自己的專業(yè)水平。在這段時間中，不光是在學(xué)習(xí)上對我有巨大幫助，更多的是讓我找回了從前的感覺，讓我感觸良多，人本就不應(yīng)該頹廢的活