球杆系统是为自动控制、机械电子、电气工程等专业的基础控制课程而设计的教学实验设备,因为球杆系统具有开环不稳定的特性,需要设计控制器才能控制小球的位置。球杆系统结构简单、直观明了,可满足自动控制原理、现代控制工程等课程的实验要求,也可以作为电机学、电机与拖动、模式识别等课程的实验设备。球杆系统的控制方法多种多样,经典控制理论中的PID控制、根轨迹控制,现代控制理论的模糊控制、神经网络控制、自适应控制等,都可以在球杆系统中得以实现。其中,自适应PID控制由于易于对不确定性系统或非线性系统进行控制、对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性、对外界的干扰有较强的抑制能力等特点,近年来得到了广泛的发展和应用。本文的目的就是设计一种基于闭环特征参数的自适应PID控制器,对球杆系统进行控制。本文深入分析了球杆系统的结构特点以及影响球杆系统稳定性的因素,利用牛顿力学方程建立了球杆系统的数学模型。经过近似的线性化和适当的简化处理后,得到了易于计算机计算的离散数学模型,根据其数学模型的参数时变特点设计了自校正PID控制器。本文设计的基于闭环特征参数的自适应PID控制器是由内环和外环两个环路构成的。内环由被控对象和可调参数的控制器组成,外环由对象参数递推估计器和控制器参数设计机构组成。其中最主要的是外环部分,首先由递推参数估计器在线估计被控对象参数,用以代替对象的未知参数,然后由设计机构按一定的规则对可调控制器的参数进行在线求解,用以修改内环的控制器参数,以达到使小球稳定于平衡位置的控制目的。本文最后对所设计的自适应PID控制器进行了仿真实验研究,将其控制效果与传统PID控制器的控制效果进行对比,结果表明了此控制器具有良好的控制效果。