Matlab/Simulink球杆系统的PID控制器设计(3)
比如船舶电力系统的控制就对于船舶的安全航行具有非常重要的意义。船舶电力系
统的控制内容就极其丰富，主要控制包括发电机组转速控制、发电机励磁控制、电力系统电能质量控制、电力系统重构、电力系统自修复、功率分配控制、电力推进电机控制等内容。单从船舶电力系统自动控制角度来看，目前实际船舶上发电机组的控制方法以传统的PID控制方法为主，研究的热点涵盖了智能控制、鲁棒控制、最优控制、非线性控制等方法。
再比如发动机控制系统也是一个很复杂的存在。燃气涡轮发动机是最为有效的推进
和动力装置形式之一。其应用遍布于飞机推进及其辅助动力系统地、舰载推进装置、舰载动力装置和地面车辆推进装置，以及面动力装置等领域。其控制系统的设计所面临的主要挑战是发动机个体之间性能的差异以及同一台发动机在不同时间段所表现的性能差异。发动机控制系统的设计还面临着另外一个挑战，以往当在现场碰到一些不曾预见的问题时，通常希望通过调整控制系统来解决，这是因为，相对于重新设计、制造、装配新的发动机部件而言，修改控制逻辑和几行代码要容易得多。因此控制系统的实现应具备适应现场修改调整的能力。同时发动机控制系统还必须承担发动机的监控功能。
所以发动机控制系统的设计也涵盖了智能控制、鲁棒控制、最优控制、非线性控制
等方法。
1.3 本课题的工作及主要内容
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。因为球杆系统具有开环不稳定的特性，所以需要设计一个鲁棒的控制系统才能控制小球的位置。对于球杆系统的控制方法多种多样，本课题就是根据球杆系统的数学模型，基于MATLAB设计出球杆系统的PID控制器，运用个人计算机实现对球杆系统的数字控制。
本课题的内容安排如下：
(1)对球杆系统研究现状、控制理论发展状况、本课题研究的背景和意义以及球杆系统在现实中的应用进行了介绍；
(2)介绍了PID控制的原理和特点，并介绍了本课题设计PID控制器所需要的运行平台MATLAB/Simulink；
(3)对本课题所使用的固高介球杆系统进行了构成及工作原理的介绍，以及介绍了球杆系统中最主要的机械部分和只能伺服驱动的应用；对球杆系统机械模型进行分析，得到小球在球杆上运行的加速度，假设倾斜角为0是得到近似的线性方程，进行转化换算后得出了球杆系统的开环传递函数；用Simulink搭建了球杆系统的模型，并分析了系统的电器模型；
(4)分析了球杆系统的开环传递函数，得出系统不稳定的结论，求出PID的传递函数，并与球杆系统传递函数进行结合，得到球杆系统的闭环传递函数，进行分析验证，可知响应曲线与 , 和 的参数有关，用MATLAB进行仿真进行了PID控制系统的自整定。
(5)对实时控制的过程进行了介绍，并成功进行了球杆系统的实时控制实验，观察控制波形，并与仿真波形比较，对存在误差的原因进行理论分析。
2 PID控制理论基础
2.1 PID控制介绍
2.1.1 PID控制原理及特点
工程实际中，应用最为广泛调节器PID控制的实质是根据反馈后计算得到的收入作差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。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。PID控制，实际中也有PI和PD控制[2]。PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。