球杆系统控制器设计论文及matlab仿真大学论文.doc

摘 要

以球杆系统作为主体，系统中的小球作为被控对象，设计一个模糊控制器，

控制小球在装置导轨上的运行状态，分析小球在导轨上的运行状态，以此来反映

模糊控制器的控制性能。设计首先对球杆系统组成结构及其基本原理进行分析之

后，建立一个相对简化后的球杆系统模型；运用相关的模糊控制原理，建立球杆

系统模糊控制规则，再对球杆系统进行模糊控制器设计。并在 MATLAB 仿真环境

下建立控制器的仿真模型，对球杆系统进行仿真，测试模糊控制器的控制性能。

针对球杆系统自身存在的不稳定特性，在进行仿真时加入闭环反馈控制环节，

这样不但可以提高系统的稳定性，还可以提高控制的精度，相较于其他一般控制，

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 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 establish

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.

automatic control .

Key words: the ball and beam system；fuzzy control；MATLAB modeling

目 录

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

2.2.1 球杆系统数学模型建立…………………………………………6

2.3 MATLAB 建模 ………………………………………………………………7

2.3.1 MATLAB 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

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

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

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

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