板球系统的定位控制和轨迹跟踪

论文摘要

本文以变论域自适应模糊控制为理论基础,以自行搭建的板球系统实验平台为控制对象,目标为实现小球的定位控制和轨迹跟踪。众所周知,作为经典控制对象球杆系统的二维扩展,板球系统是一个多变量、非线性、复杂的欠驱动动力学系统,它也是控制理论研究的典型实验平台,主要用于检验一些控制算法的有效性。为实现课题目标,本文首先应用拉格朗日方程对板球系统进行忽略干扰因素的数学建模,并总结出基于不同控制量的两种模型,给出了采用角度控制量模型的原因,并证明一定范围内模型是可控的；然后介绍了几种控制器的理论基础,对变论域自适应模糊控制器进行了简化改进,并基于模型进行了控制器的仿真实验,仿真结果表明：这种新型的变论域自适应模糊控制器对板球系统的控制是有效的；通过信号响应和控制量两个方面观察对比板球系统在几种控制器下的仿真效果,得到位置式PID响应效果较好,但是控制量太大,超出限制范围,不利于应用于实际控制。增量式PID控制量虽然在限制范围内,但信号响应效果较差。加入变论域伸缩因子前后的模糊控制器的控制效果有明显差异,可以看出改进后的变论域自适应模糊控制对板球系统的控制效果是这几种控制器中最优的。另外,介绍了实验平台的硬件结构,以及核心部件的工作机理,分析了连杆结构了角度关系。最后给出了不同控制器对板球系统的定位控制和轨迹跟踪的实时控制数据,并对数据进行了客观分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 板球系统的研究意义
• 1.2 板球系统的分类
• 1.3 板球系统的研究现状
• 1.3.1 仿真阶段
• 1.3.2 实物平台
• 1.4 模糊控制和变论域思想
• 1.5 论文的主要研究内容
• 2 板球系统的建模及定性分析
• 2.1 拉格朗日方程及其特点
• 2.2 板球系统的数学模型
• 2.3 板球系统的两种简化模型
• 2.3.1 角度控制量模型
• 2.3.2 角加速度控制量模型
• 2.4 板球系统模型的定性分析
• 3 板球系统的控制理论介绍
• 3.1 PID控制器
• 3.1.1 位置式PID
• 3.1.2 增量式PID
• 3.2 模糊控制器
• 3.2.1 模糊控制器的组成
• 3.2.2 模糊控制器设计步骤
• 3.3 变论域自适应模糊控制器
• 3.3.1 变论域的伸缩因子
• 3.3.2 传统变论域自适应模糊控制器
• 3.3.3 新型的变论域自适应模糊控制器
• 4 板球系统控制的仿真实现
• 4.1 板球系统的仿真模型建立
• 4.2 PID控制器设计
• 4.3 变论域自适应模糊控制器设计
• 5 板球系统的硬件介绍
• 5.1 触摸屏
• 5.2 运动控制卡
• 5.3 连杆角度分析
• 6 板球系统的实物控制
• 6.1 控制程序说明
• 6.2 实时采集曲线对比
• 6.2.1 跟踪阶跃响应曲线对比
• 6.2.2 跟踪圆形曲线对比
• 6.2.3 跟踪正方形曲线对比
• 6.3 展示程序说明及实时数据曲线
• 6.4 本章总结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 板球系统实验平台硬件参数
• 附录B 板球系统控制程序及其说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢