平面倒立擺系統(tǒng)的模糊自校正仿人智能協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、倒立擺被譽(yù)為自動(dòng)控制領(lǐng)域中“皇冠上的珍珠”，是一種具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、不穩(wěn)定等若干典型特征的被控對(duì)象，能夠模擬研究火箭發(fā)射中的垂直度控制、火箭的飛行控制、步行機(jī)器人的穩(wěn)定控制等若干尖端科學(xué)技術(shù);所以，從某種意義上講，實(shí)現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，就意味著在很大程度上解決了一類(lèi)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量特性系統(tǒng)的穩(wěn)定控制的關(guān)鍵問(wèn)題之一。平面倒立擺系統(tǒng)，有時(shí)又被稱作空間倒立擺系統(tǒng)，是自由度數(shù)最多的一類(lèi)倒立擺系統(tǒng)，工程實(shí)踐應(yīng)用背景更逼真、

2、更具廣泛性和代表性，對(duì)其研究自然也更具挑戰(zhàn)性;因而是本文的研究中心點(diǎn)。
　　仿人智能控制理論是國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的控制理論與方法，體現(xiàn)人類(lèi)的控制經(jīng)驗(yàn)和邏輯，已經(jīng)形成基本理論體系并在工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域得到比較廣泛的工程應(yīng)用，經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)和實(shí)踐的檢驗(yàn)。針對(duì)多變量耦合系統(tǒng)的仿人智能協(xié)調(diào)解耦控制是仿人智能控制理論最重要的思想方法之一，已有較多出色的工程應(yīng)用案例。但是，傳統(tǒng)的仿人智能協(xié)調(diào)控制還不能很好地解決可能存在的控制量跳躍的問(wèn)題，從而限制了其

3、環(huán)境適應(yīng)性，開(kāi)始越來(lái)越制約其得到更廣泛的應(yīng)用;因此，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究探索將是本文的理論研究落腳點(diǎn)。
　　本文充分分析平面倒立擺系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與特性后，采用拉格朗日力學(xué)原理以更貼近控制系統(tǒng)物理實(shí)際和更簡(jiǎn)潔的步驟建立了平面倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，而后將系統(tǒng)非線性模型在擺桿的倒立穩(wěn)定平衡位置附近線性化，得到各坐標(biāo)軸方向上線性化解耦后的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。隨后，針對(duì)仿人協(xié)調(diào)控制存在的控制量跳躍問(wèn)題，本文通過(guò)引入模糊控制技術(shù)，提出一種仿人智能協(xié)調(diào)

4、控制算法對(duì)控制器參數(shù)實(shí)施在線、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)整的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制策略;所設(shè)計(jì)控制策略在對(duì)各個(gè)單回路的仿人智能控制器設(shè)計(jì)時(shí)，采用與仿人智能控制理論思想有異曲同工之妙的九點(diǎn)控制器方法。最后，本文作者成功地將本文提出的控制策略成功應(yīng)用于平面倒立擺系統(tǒng)的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)，隨后的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物對(duì)象系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)表明:本文所提出的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制策略簡(jiǎn)便有效，并且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和魯棒性。
　　本文

5、的主要工作及其新穎之處闡述如下。
　　首先，系統(tǒng)性地介紹了本文所研究課題的背景及意義、研究現(xiàn)狀。特別地，以一系列表格、按照時(shí)間順序系統(tǒng)性地呈現(xiàn)出本文所研究的平面倒立擺系統(tǒng)和仿人智能控制理論已經(jīng)走過(guò)的研究歷程。
　　接著，為了更好地分析、認(rèn)識(shí)被控對(duì)象，建立了平面倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并在倒立穩(wěn)定平衡位置附近將其線性化，得到了系統(tǒng)在正交的X-Y方向上線性化解耦后的模型，為后續(xù)控制器設(shè)計(jì)找到了突破口。區(qū)別于其它文獻(xiàn)中建模時(shí)將擺桿

6、在空間上的任意轉(zhuǎn)角表示為X與Y方向偏轉(zhuǎn)角度合角的方式，本文在建模時(shí)摒棄了這一步驟，而是分別直接采用X、Y方向旋轉(zhuǎn)編碼器所測(cè)的角度值作為直接參數(shù);本文認(rèn)為，這樣不僅簡(jiǎn)化了繁瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，而且有助于人們從直觀的物理角度認(rèn)識(shí)、理解平面倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制的真實(shí)物理過(guò)程。
　　再者，通過(guò)文獻(xiàn)綜述闡釋了仿人智能控制理論的基本理論體系，以及九點(diǎn)控制器與仿人智能控制思想的相似之處，提出了將九點(diǎn)控制器和仿人智能協(xié)調(diào)控制思想結(jié)合起來(lái)，并引入模糊控

7、制方法，從而形成一種針對(duì)多變量耦合系統(tǒng)的新型模糊自校正仿人智能協(xié)調(diào)解耦控制策略，通過(guò)該方案解決傳統(tǒng)仿人智能協(xié)調(diào)控制存在的控制量跳躍的問(wèn)題。
　　隨后，本文正式提出針對(duì)平面倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制策略，并詳細(xì)描繪了所設(shè)計(jì)控制策略的各個(gè)環(huán)節(jié)。所設(shè)計(jì)的控制器具有控制參數(shù)在線、連續(xù)自校正功能，量化因子、比例因子、放大因子的設(shè)計(jì)也為優(yōu)化控制器的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化控制效果起了重要作用。通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)和平面倒立擺系統(tǒng)

8、實(shí)物對(duì)象實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的有效性和控制器的魯棒性。在MATLAB軟件中Simulink仿真平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)表明，較之于基于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的LQR控制方法，本文所采用控制策略不依賴于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型、且擺桿的穩(wěn)擺范圍擴(kuò)大了大約一倍，這表明本文所設(shè)計(jì)控制方案具有優(yōu)秀的控制效果;而且，在仿真實(shí)驗(yàn)條件下擺脫了對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴，這能大大縮短控制器設(shè)計(jì)周期。通過(guò)平面倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，則更加證實(shí)了所設(shè)計(jì)控制策