基于RTW球杆系统H_∞制约设计

球杆系统是为教学实验而设计的实验设备,它是控制领域的一个经典控制对象。这个系统具有一个很重要的特性就是开环不稳定性,对其进行控制可以直观的反应控制器的控制效果。球杆系统作为一个典型的教学和实验研究设备,可以用于实现各种已有的控制理论和方法,也可以作为新的理论和控制方法的检验工具。因此对球杆系统的研究引起了国内外学者关注。本文第一部分先从球杆系统的运动方程式入手,分析球杆系统的物理特性,利用拉格朗日建立了球杆系统的数学模型,设计降维观测器和极点配置。利用MATLAB/SIMULINK/RTW实时方案对球杆系统进行开发,使用自定义设备驱动模块代替数学模型进行实时控制,检验极点配置在RTW实时控制的效果,实验证实这种方法是可行性。设计RTW实时控制的目的是为了进行控制律的研究,可以采取自行设计的控制律。下面就摆脱系统自带的软件用H∞方法对球杆系统实施稳定的控制。本文第二部分分析球杆系统的不确定性和各种扰动,将控制问题归为一类H∞标准问题—扰动抑制问题,提出了球杆在扰动抑制下的H∞设计模型。根据系统的性能指标要求提出加权函数,利用MATLAB中的函数求出广义对象和控制器。由于H∞控制器阶次太高,实际中难以实现。所以对控制器简化,去掉高频部分,再通过多种系统仿真分析说明设计是成功的,能成功抑制干扰和具有很好的鲁棒稳定性。最后比较这两种控制方法,得出这两种控制方法都能达到球杆的控制要求,H∞可以抑制摩擦的影响。对于球杆系统在RTW下的H∞设计的实现,摆脱了对球杆系统自带的软件的束缚,解决了原来自带软件自能做状态反馈的控制,现在也可以做输出反馈的控制。【关键词】：球杆系统极点配置RTWH_∞扰动抑制
【论文提纲】：摘要4-5Abstract5-9第1章绪论9-161.1课题的应用背景9-121.1.1球杆系统简介9-111.1.2RTW简介11-121.2国内外的研究状况12-141.2.1运用于球杆系统控制理论简介12-131.2.2RTW应用实例13-141.3本文研究的主要内容14-16第2章球杆系统RTW试验平台16-272.1MATLAB/RTW分析及安装16-182.1.1RTW分析16-182.1.2RTW安装182.2球杆系统目标环境选取及实时性分析18-192.2.1Real-TimeWindows目标环境18-192.2.2实时性分析192.3球杆系统的RTW仿真平台实现19-222.3.1实时系统的组成19-202.3.2DAC98卡设备驱动202.3.3封装设备驱动20-212.3.4在MATLAB/Simulink下实现21-222.4降维状态观测器的实现22-262.5本章小结26-27第3章球杆系统的H_∞控制器设计27-623.1H_∞控制理论27-323.1.1H_∞理论的发展过程27-283.1.2H_∞标准问题28-303.1.3扰动抑制问题30-313.1.4H_∞设计的一般步骤31-323.2球杆系统H_∞设计问题模型32-363.2.1球杆系统数学模型32-343.2.2球杆系统扰动的分析及H_∞模型34-363.3加权函数的选取36-393.4广义对象的状态空间实现39-423.5控制器的计算42-543.5.1控制算法的先容42-433.5.2控制器的计算43-473.5.3仿真结果分析47-543.6控制器K的简化54-603.7极点配置方法与H_∞控制的比较60-613.8本章小结61-62结论62-64参考文献64-69致谢69