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。