基于模糊邏輯的多級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)研究.pdf

1、倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量、非線性、強(qiáng)耦合和快速運(yùn)動(dòng)的自然不穩(wěn)定高階系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)倒立擺的精確控制對(duì)工業(yè)復(fù)雜對(duì)象的控制有著不可估量的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)倒立擺的研究在雙足機(jī)器人行走、火箭發(fā)射過(guò)程的姿態(tài)調(diào)整和直升機(jī)飛行控制領(lǐng)域中有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以固高直線倒立擺系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要采用模糊邏輯控制理論研究了多級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的仿真和實(shí)物實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　 ⑴分析了倒立擺系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，采用拉格朗日方

2、法和牛頓-歐拉方法分別建立了二級(jí)倒立擺和三級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，接著對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了定性分析，證明了倒立擺系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，但在平衡點(diǎn)附近是完全能控和能觀測(cè)的，同時(shí)闡明了三級(jí)倒立擺的相對(duì)能控度比二級(jí)小很多，說(shuō)明其控制難度更大。
　　 ⑵對(duì)二級(jí)倒立擺，設(shè)計(jì)了極點(diǎn)配置反饋控制器和線性二次型最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器；闡述了基于系統(tǒng)理想閉環(huán)響應(yīng)曲線法制定模糊控制規(guī)則庫(kù)的思想，減少了以往依靠專家經(jīng)驗(yàn)或熟練操作工人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制定控制規(guī)

3、則庫(kù)帶來(lái)的主觀性誤差，在此基礎(chǔ)上獲取了倒立擺模糊控制規(guī)則庫(kù)。詳細(xì)闡述了二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的基于狀態(tài)變量合成的模糊控制器和狀態(tài)變量分層模糊控制器的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，并給出了其在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真結(jié)果及分析，討論了量化因子比例因子對(duì)控制性能的影響。
　　 ⑶對(duì)三級(jí)倒立擺，設(shè)計(jì)了線性二次型最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器；對(duì)變論域模糊控制器的控制實(shí)質(zhì)進(jìn)行了深入分析，通過(guò)線性和非線性被控對(duì)象對(duì)其控制性能進(jìn)行了研究。給出了基于輸入變

4、量加權(quán)調(diào)整的變論域模糊控制算法，詳細(xì)闡述了輸入變量加權(quán)調(diào)整的思想，設(shè)計(jì)了基于模糊推理器的加權(quán)伸縮因子，同時(shí)根據(jù)理想閉環(huán)曲線構(gòu)造了輸出調(diào)整因子，在此之后于Matlab/Simulink環(huán)境下研究了所設(shè)計(jì)的基于輸入變量加權(quán)的變論域模糊控制器的控制效果和抗干擾能力，并對(duì)相關(guān)控制算法進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　 ⑷分析了固高直線倒立擺實(shí)物控制的硬件和軟件系統(tǒng)組成、控制機(jī)理和信號(hào)流程，編制了二級(jí)直線倒立擺的模糊控制程序代碼，通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)獲得了二