球杆系统建模及其控制器设计

摘 要

以球杆系统作为主体，系统中的小球作为被控对象，设计一个模糊控制器，控制小球在装置导轨上的运行状态，分析小球在导轨上的运行状态，以此来反映模糊控制器的控制性能。设计首先对球杆系统组成结构及其基本原理进行分析之后，建立一个相对简化后的球杆系统模型；运用相关的模糊控制原理，建立球杆系统模糊控制规则，再对球杆系统进行模糊控制器设计。并在MATLAB仿真环境下建立控制器的仿真模型，对球杆系统进行仿真，测试模糊控制器的控制性能。

针对球杆系统自身存在的不稳定特性，在进行仿真时加入闭环反馈控制环节，这样不但可以提高系统的稳定性，还可以提高控制的精度，相较于其他一般控制，它更具有独特优势，更符合人类思维。

球杆系统作为如今研究控制理论的经典案例，与模糊控制融合之后，能更好地表现模糊控制在自动控制方面的优良特性。

关键词：球杆系统；模糊控制；MATLAB建模

ABSTRACT

In the ball and beam system as the main body, the ball as a controlled object,design a fuzzy controller , to control the ball in the gu

球杆系统控制器设计实验报告

学院：自动化学院

组号：5 成员：

球杆系统控制器设计实验

一、实验目的和要求

1.1 实验目的

（1）通过本设计实验，加强对经典控制方法（PID控制器）和智能控制方法（神经网络、模糊控制、遗传算法等）在实际控制系统中的应用研究。 （2）提高学生有关控制系统控制器的程序设计、仿真和实际运行能力. （3）熟悉MATLAB语言以及在控制系统设计中的应用。 1.2 实验要求

（1）每两人一组，完成球杆系统的开环系统仿真、控制器的设计与仿真以及实际运行结果；

（2）认真理解设计内容，独立完成实验报告，实验报告要求：设计题目，设计的具体内容及实验运行结果，实验结果分析、个人收获和不足，参考资料。程序清单文件。

二、实验内容

本设计实验的主要内容是设计一个稳定的控制系统，其核心是设计控制器，并在MATLAB/SIMULINK环境下进行仿真实验，并在球杆实验平台上实际验证。算法实现：设计模糊控制器控制球杆系统，达到要求目标。

三、实验原理

3.1 球杆系统的特点

球杆系统是一个典型的非线性系统，理论上而言，它是一个真正意义上的 非线性

题目：应用不同的算法给下面各个模型设计PID控制器，并比较各个控制器下闭环系统的性能

①Ga(s)=1/(s + 1)^3②Gb(s)=1/(s + 1)^5③Gc(s)=(-1.5 + 1)/(s + 1)^3

试分别利用整定公式和PID控制器设计程序设计控制器，并比较控制器的控制效果。如果采用离散PID控制器，试比较一般离散PID控制器与增量式PID控制器下的控制效果。 解：

①Ga(s)=1/(s + 1)^3 工程设计法 数学模型如下图

1>比例单独作用 G = tf(1,[1 3 3 1]); Kp = [1:1:5];

for i = 1:length(Kp)

Gc = feedback(Kp(i)*G,1); step(Gc); hold on end

>> gtext('1 Kp = 1'), >> gtext('2 Kp = 2'), >> gtext('3 Kp = 3'), >> gtext('4 Kp = 4'), >> gtext('5 Kp = 5'),

Step Response1.41.215 Kp = 5Amplitude0.84 Kp = 43 Kp =

题目：应用不同的算法给下面各个模型设计PID控制器，并比较各个控制器下闭环系统的性能

①Ga(s)=1/(s + 1)^3②Gb(s)=1/(s + 1)^5③Gc(s)=(-1.5 + 1)/(s + 1)^3

试分别利用整定公式和PID控制器设计程序设计控制器，并比较控制器的控制效果。如果采用离散PID控制器，试比较一般离散PID控制器与增量式PID控制器下的控制效果。 解：

①Ga(s)=1/(s + 1)^3 工程设计法 数学模型如下图

1>比例单独作用 G = tf(1,[1 3 3 1]); Kp = [1:1:5];

for i = 1:length(Kp)

Gc = feedback(Kp(i)*G,1); step(Gc); hold on end

>> gtext('1 Kp = 1'), >> gtext('2 Kp = 2'), >> gtext('3 Kp = 3'), >> gtext('4 Kp = 4'), >> gtext('5 Kp = 5'),

Step Response1.41.215 Kp = 5Amplitude0.84 Kp = 43 Kp =

湖北汽车工业学院科技学院 KT1023-3 ONION 实时控制系统的步进电机速度控制器设计

设计内容与要求：利用TPC-H通用微机接口实验箱设计一个实时控制系统的步进电机速度控制器。步进电机为四相，步距角为180/步，以单四拍方式运行。要求采用定时中断的方法控制步进电机的速度，转速在1～60r/min之间连续可调，具有正反转控制功能。

程序如下：

DATA SEGMENT

BUFF DW 0H,0BB8H,05DCH,3E8H,2EEH,258H,1F4H,1ACH,177H,14DH,12CH DW 110H,0FAH,0E6H,0D6H,0C8H,0BBH,0B0H,0A6H,9DH,96H DW 8EH,88H,82H,7DH,78H,73H,6FH,6BH,67H,64H DW 60H,5DH,5AH,58H,55H,53H,51H,4EH,4CH,4BH DW 49H,47H,45H,44H,42H,41H,3FH,3EH,3DH,3CH DW 3AH,39H,38H,37H,36H,35H,34H,33H,32H,32H BUF DW 1H BUF2 DB

? 1. 通过 PA 口控制 PB 口，PA 口作为输入口与开关 K0～K7 相连，PB 口作为

输出口与小灯 L0～L7 相连。设计硬件电路，且编程控制，在拨动开关时控制小灯的亮灭。

ORG 0000H

START: MOV DPTR,#0FF7FH MOV A,#90H MOVX @DPTR,A

LOOP: MOV DPTR,#0FF7CH MOVX A,@DPTR INC DPTR MOVX @DPTR,A SJMP LOOP END

? 例题 用6264（8K×8位）给8051单片机的外围扩展8K的片外数据存储器，画出

与单片机相连地址线、数据线和控制线，并注明信号名称。

例题1 给8051单片机的外围扩展一片16K×8位片外程序存储器，画出与单片机相连地址线、数据线和控制线，并注明信号名称。

LED显示器有静态显示和动态显示两种方式，显示原理是什么？

静态显示：公共端应接在固定电平（共阳极接低电平，共阴极接高电平）；段选与8为IO口相联

动态显示：将所有的显示位段选线的同名端并联接在一起，并由一个8位IO口控制，形成段选线的多为复用，显示为由相应的IO口弦控制，实现各位分时选通。

? 1. 通过 PA 口控制 PB 口，PA 口作为输入口与开关 K0～K7 相连，PB 口作为

输出口与小灯 L0～L7 相连。设计硬件电路，且编程控制，在拨动开关时控制小灯的亮灭。

ORG 0000H

START: MOV DPTR,#0FF7FH MOV A,#90H MOVX @DPTR,A

LOOP: MOV DPTR,#0FF7CH MOVX A,@DPTR INC DPTR MOVX @DPTR,A SJMP LOOP END

? 例题 用6264（8K×8位）给8051单片机的外围扩展8K的片外数据存储器，画出

与单片机相连地址线、数据线和控制线，并注明信号名称。

例题1 给8051单片机的外围扩展一片16K×8位片外程序存储器，画出与单片机相连地址线、数据线和控制线，并注明信号名称。

LED显示器有静态显示和动态显示两种方式，显示原理是什么？

静态显示：公共端应接在固定电平（共阳极接低电平，共阴极接高电平）；段选与8为IO口相联

动态显示：将所有的显示位段选线的同名端并联接在一起，并由一个8位IO口控制，形成段选线的多为复用，显示为由相应的IO口弦控制，实现各位分时选通。

电饭煲定时控制器设计

作者：何建新 刘矛 雷学堂 杨帆

来源：《电子世界》2012年第20期

【摘要】电饭煲定时控制器主要利用单片机AT89C51、其它外围元件电路，组成一个具有接通外部电源功能的定时控制器，具有结构简单，定时准确、操作方便等特点。

【关键词】AT89C51；发光二极管；数码管

1.绪论

随着电子产品的不断更新换代，尤其是在智能控制方面技术有了显著的改进。传统电饭煲具有效率高，蒸饭速度快，操作简单等优点。但在使用时必须采用人工开启电饭煲，这在使用中感到非常不便。为此，本设计将介绍在生活中用的最多的定时控制器，主要利用单片机AT89C51、其它外围元件电路，组成一个具有接通外部电源功能的定时控制器。

2.电路的硬件设计

2.1 电源电路设计

电源电路包括电容和稳压器。通过该电路，使得220V电压变为5V，再通过电容的滤波作用，稳压器的稳压作用，可输出5V的稳定电压，如图1所示。

2.2 总的电路图

定时开关的硬件电路如图2所示。采用单片机直接驱动数码管，数码管采用动态显示，数码管的7个笔画直接接单片机的PO.0～P0.7，位选段接单片机的P2.0～P2.5，八个发光二极管接单片机的P1.0～P1.7，三个按键接单片机的P3.0～P3.2。当需要设置定

电子技术 课程设计说明书

题目： 彩灯循环控制器（B）

学生姓名： 曹文天 学 号： 200806010211 院 （系）： 电信学院 专 业： 电气082 指导教师： 张震强

2010 年 12 月 10 日

-1-

-- 课程设计说明书

摘 要

这次课程设计的题目是彩灯循环控制器。题目的要求是：（1）采用一个半导体数码管作为控制器的显示器，能够自动地依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、1、2、3、4、5、6、7（音乐符号数列）和0、2、4、6、8（偶数列）,然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。（2）打开电源时，控制器可自动清零，从接通电源时刻起，数码管最先显示出自然数列的0，再显示出1，然后按上述规律变化。

彩灯控制器主要是通过计数器来实现的。这个彩灯控制电路的实质是要产生一系列的数列，包括自然数列、奇数列、偶数列

;====变量及常数定义段====

INCLUDE "VARDFN.ASM"

;===============

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0003H

LJMP INTS

ORG 000BH ;添加变量等定义模块

LJMP T0SER ;转T0中断服务子程序

ORG 002BH

LJMP T2SER

ORG 0030H

MAIN: INCLUDE "INITIAL.ASM" ;添加初始化模块

MLOOP: DJNZ T100MS,A2

MOV T100MS,#25

CLR TR1

MOV R2,TH1

MOV R3,TL1

SETB TR1

MOV TH1,#00H

MOV TL1,#00H

LCALL FTEMP

LCALL FTCTRL

A2: JNB TF0,$ ;4mS到？

CLR TF0 ;清定时标志

MOV TH0,#0F0H ;4mS定时重设

MOV TL0,#60H

LCALL RDKEY ;调用读键状态及去抖处理

LCALL DISP ;调用数码管动态显示

MOV A,STA ;根据状态值散转相应模块

ANL A,#03H

RL A

MOV DPTR,#MTAB

JMP @A+DPTR

MTAB: AJ