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空气球系统建模与控制

作 者: 韩俊芳
导 师: 石红瑞
学 校: 东华大学
专 业: 检测技术与自动化装置
关键词: 空气球系统 机理建模 串级PID H_∞鲁棒控制 线性二次型(LQR)最优控制
分类号: TP391.9
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 3次
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内容摘要


空气球系统主要由直流电机、风扇、玻璃管、空气球、超声波传感器等构成。它具有模型复杂,非线性和多扰动的特点。本文依据贝加莱公司提供的空气球系统对象、PLC控制系统、AAutomation Studio组态软件和Matlab/Simulink仿真软件,通过机理建模的方法对系统进行建模,重点研究空气球系统的建模与控制。本文采用机理建模法,运用直流电机工作原理对电机建模,运用流体力学知识和伯努利方程对球体周围流动的风力情况建模,利用牛顿力学原理对空气球建模,最终构建了空气球系统从PWM输出到高度输出的数学模型。根据这个模型,在Matlab/Simulink环境下构建系统模型并进行了仿真,并与实验结果做了对比。对比结果表明了模型的有效性。其次,使用贝加莱PLC作为控制器,运用串级PID控制算法,对空气球系统进行控制,在Matlab/Simulink环境下进行控制器设计,并下载到贝加莱公司的PLC上进行实验。实验获得了良好的控制效果,实现了对空气球的稳定控制。再次,研究设计了H∞鲁棒控制的标准框架,求真实有理的控制器K,使被控对象G稳定的H∞鲁棒控制器,采用MATLAB软件中的鲁棒控制工具箱进行设计,大大减小了复杂的计算量,只需进行加权函数的选择就行了。在混合灵敏度问题设计中,本文采用在频率域中选择加权阵,然后,转换到状态空间中进行计算。鲁棒控制保证了系统在参数不确定的情况下仍能获得良好的控制效果。最后,研究设计了LQR控制器,该控制器能很好地跟踪给定指令,快速达到稳定状态。LQR系统的设计归结为目标函数权矩阵的确定问题,仿真结果表明所设计的控制器具有较强的鲁棒性能。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章 概述  11-24
  1.1 课题研究背景及其意义  11-12
  1.2 国内研究概况  12-13
  1.3 PID控制的发展历程  13-15
    1.3.1 自整定PID(Automatic Tuning PID)  13
    1.3.2 自适应PID(Adaptive PID)  13-14
    1.3.3 智能PID控制(Intelligent PID Control)  14-15
  1.4 H_∞控制的发展历程  15-18
  1.5 最优控制的发展历程  18-22
  1.6 本文主要研究内容  22-24
第二章 空气球系统建模  24-40
  2.1. 空气球实验装置简介  24-25
  2.2. 空气球系统建模  25-33
    2.2.1. 电机模型  25-27
    2.2.2. 转速-风速模型  27-29
    2.2.3. 风速-压强模型  29-30
    2.2.4. 压强-风力模型  30-31
    2.2.5. 风力-高度模型  31
    2.2.6. 超声波传感器模型  31-33
    2.2.7. PWM控制输出  33
  2.3. 建模仿真结果  33-36
  2.4. 对象特性实验结果  36-37
  2.5. 模型线性化  37-40
第三章 串级PID控制  40-47
  3.1. PID控制方案介绍  40
  3.2. PID控制器设计  40-41
  3.3. 串级PLD控制原理  41-43
  3.4. 串级PID控制器仿真  43-45
  3.5. 串级PID控制器实验  45-46
  3.6. 小结  46-47
第四章 H_∞鲁棒控制  47-58
  4.1. H_∞鲁棒控制系统  47-52
  4.2. H_∞鲁棒控制设计  52-55
  4.3. H_∞鲁棒控制仿真  55-57
  4.4. 小结  57-58
第五章 线性二次型调节器LQR控制  58-67
  5.1. 线性二次型最优控制  58
  5.2. 线性二次型最优控制设计  58-60
  5.3. 标准LQR问题  60-63
  5.4. Q、R的选择原则  63
  5.5. 最优控制系统仿真  63-66
  5.6. 小结  66-67
结果与展望  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
攻读学位期间主要的研究成果  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理(信息加工) > 计算机仿真
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