Matlab/Simulink球杆系统的PID控制器设计(2)
4.4.2 根轨迹控制器的设计 29
4.4.3 PID控制器与根轨迹控制器的比较 31
5 球杆系统PID控制器的实时控制 33
5.1Matlab Similink 环境下的开始步骤 33
5.2 实时控制结果与分析 33
6 结论 37
致谢 38
参考文献 39
1 绪论
1.1 本课题提出的意义
随着科学技术的发展，自动控制系统已广泛应用于制造业自动化、交通管理、办公自动化和决策支持系统，已几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所领域。20世纪40年代是自动控制技术和理论形成的关键时期，一批科学家为了军事上提出的火炮空控制、飞机导航等技术问题，逐步形成了分析和设计控制系统的理论和方法。大量的自动控制系统得到了特别的重视，其中球杆系统就是最为著名的实验设备之一。
许多学者在控制理论中的研究都通过球杆系统进行验证。球杆系统受到如此广泛的
应用,是因为球杆系统（Ball&Beam）是特意为学习与研究自动控制和运动控制等专业课程而专门开发的，对于经典控制理论和现代控制理论等课程是一个非常便于基础实验和研究的研究平台。这个系统有一个非常重要的性质——它是一个典型的非线性系统，不可避免的存在着不稳定性。不稳定系统的控制问题是大多数控制系统需要克服的难点，有必要在实验室中研究。但是由于不稳定系统容易对实验人员产生危险或是不可预料的伤害，成为实验室研究的主要障碍。球杆系统相对而言，具有机械简单，结构紧凑，安全性高等优点，是一个可以避免这些危险和伤害的实验设备。而球杆系统成为了解决上述矛盾最好的实验工具。因此许多经典的或者现代的设计方法都可以应用到球杆系统中,它成为检验控制理论的理想的实验装置，对一类不稳定系统的控制以及对深入理解反馈控制理论具有重要的意义。球杆系统的结构简单、直观，可以满足自动控制原理、现代控制理论等课程的实验要求，也可以作为电机与拖动基础等其他课程的实验设备。所以用不同的控制方法去研究球杆系统，不仅成为国际国内具有挑战性的课题之一，而且对于工业复杂对象的精确控制有着不可估量的工程应用价值。
对球杆系统进行控制的方法多种多样,从经典控制理论中的PID控制、到现代控制理
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。虽然球杆系统控制方法较多，但其中神经网络控制、自适应控制等目前在理论上仍不成熟，且由于算法相对复杂在实际系统中难于实现。而相对于现代控制理论，经典的PID控制具有原理简单，使用方便，鲁棒性好等优点，当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术[1]。所以到今天为止，虽然PID控制是最早发展起来的控制策略之一，于1915—1940年期间PID控制器产生以来，许多先进控制方法不断推出，但全世界控制领域中绝大多是仍是应用PID控制。就是在1995年至今，PID控制器还一直被广泛应用在现代工业过程控制中。
1.2 球杆系统在现实中的应用
其实球杆系统不仅仅只存在于实验室中，在我们的生活中到处都充斥着这样的典型
的非线性的系统，例如。它们的系统较我们在实验室里实验用的系统内容更为丰富，更为复杂，同时也存在很大的操作危险。