平面倒立摆系统的模糊自校正仿人智能协调控制研究

摘要

倒立摆被誉为自动控制领域中“皇冠上的珍珠”，是一种具有多变量、非线性、强耦合、不稳定等若干典型特征的被控对象，能够模拟研究火箭发射中的垂直度控制、火箭的飞行控制、步行机器人的稳定控制等若干尖端科学技术;所以，从某种意义上讲，实现倒立摆系统的稳定控制，就意味着在很大程度上解决了一类具有非线性、强耦合、多变量特性系统的稳定控制的关键问题之一。平面倒立摆系统，有时又被称作空间倒立摆系统，是自由度数最多的一类倒立摆系统，工程实践应用背景更逼真、更具广泛性和代表性，对其研究自然也更具挑战性;因而是本文的研究中心点。
　　仿人智能控制理论是国内学者提出的控制理论与方法，体现人类的控制经验和逻辑，已经形成基本理论体系并在工业过程领域得到比较广泛的工程应用，经受住了时间的考验和实践的检验。针对多变量耦合系统的仿人智能协调解耦控制是仿人智能控制理论最重要的思想方法之一，已有较多出色的工程应用案例。但是，传统的仿人智能协调控制还不能很好地解决可能存在的控制量跳跃的问题，从而限制了其环境适应性，开始越来越制约其得到更广泛的应用;因此，对这个问题的研究探索将是本文的理论研究落脚点。
　　本文充分分析平面倒立摆系统的物理结构与特性后，采用拉格朗日力学原理以更贴近控制系统物理实际和更简洁的步骤建立了平面倒立摆系统的动力学模型，而后将系统非线性模型在摆杆的倒立稳定平衡位置附近线性化，得到各坐标轴方向上线性化解耦后的系统数学模型。随后，针对仿人协调控制存在的控制量跳跃问题，本文通过引入模糊控制技术，提出一种仿人智能协调控制算法对控制器参数实施在线、实时、动态调整的模糊自校正仿人协调控制策略;所设计控制策略在对各个单回路的仿人智能控制器设计时，采用与仿人智能控制理论思想有异曲同工之妙的九点控制器方法。最后，本文作者成功地将本文提出的控制策略成功应用于平面倒立摆系统的模糊自校正仿人协调控制器的设计，随后的MATLAB仿真实验和实物对象系统的实时控制实验表明:本文所提出的模糊自校正仿人协调控制策略简便有效，并且具有良好的环境适应性和鲁棒性。
　　本文的主要工作及其新颖之处阐述如下。
　　首先，系统性地介绍了本文所研究课题的背景及意义、研究现状。特别地，以一系列表格、按照时间顺序系统性地呈现出本文所研究的平面倒立摆系统和仿人智能控制理论已经走过的研究历程。
　　接着，为了更好地分析、认识被控对象，建立了平面倒立摆系统的动力学模型，并在倒立稳定平衡位置附近将其线性化，得到了系统在正交的X-Y方向上线性化解耦后的模型，为后续控制器设计找到了突破口。区别于其它文献中建模时将摆杆在空间上的任意转角表示为X与Y方向偏转角度合角的方式，本文在建模时摒弃了这一步骤，而是分别直接采用X、Y方向旋转编码器所测的角度值作为直接参数;本文认为，这样不仅简化了繁琐的数学公式推导，而且有助于人们从直观的物理角度认识、理解平面倒立摆系统稳定控制的真实物理过程。
　　再者，通过文献综述阐释了仿人智能控制理论的基本理论体系，以及九点控制器与仿人智能控制思想的相似之处，提出了将九点控制器和仿人智能协调控制思想结合起来，并引入模糊控制方法，从而形成一种针对多变量耦合系统的新型模糊自校正仿人智能协调解耦控制策略，通过该方案解决传统仿人智能协调控制存在的控制量跳跃的问题。
　　随后，本文正式提出针对平面倒立摆系统稳定控制的模糊自校正仿人协调控制策略，并详细描绘了所设计控制策略的各个环节。所设计的控制器具有控制参数在线、连续自校正功能，量化因子、比例因子、放大因子的设计也为优化控制器的关键参数，进而优化控制效果起了重要作用。通过MATLAB仿真实验和平面倒立摆系统实物对象实时控制实验，验证了所设计控制策略的有效性和控制器的鲁棒性。在MATLAB软件中Simulink仿真平台的仿真实验表明，较之于基于被控对象精确数学模型的LQR控制方法，本文所采用控制策略不依赖于被控对象数学模型、且摆杆的稳摆范围扩大了大约一倍，这表明本文所设计控制方案具有优秀的控制效果;而且，在仿真实验条件下摆脱了对被控对象数学模型的依赖，这能大大缩短控制器设计周期。通过平面倒立摆系统实时控制的对比实验，则更加证实了所设计控制策略的有效性及其良好的鲁棒性。
　　最后，总结了全文工作内容，并勾勒出本文所研究课题的后续研究工作愿景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 直线倒立摆研究现状

1．2．2 平面倒立摆研究现状

1．2．3 仿人智能控制理论研究现状

1．3 本文主要工作与新意

第2章 平面倒立摆系统分析

2．1 平面倒立摆系统物理结构

2．2 平面倒立摆系统建模

2．2．1 系统动力学模型

2．2．2 模型的线性化解耦

2．3 小结

第3章 多变量系统的仿人智能控制

3．1 仿人智能控制

3．1．1 仿人智能控制的原理与原型算法

3．1．2 仿人智能控制的特点

3．1．3 仿人智能控制器的设计

3．2 多变量系统的仿人智能协调控制

3．2．1 多变量系统的解耦控制

3．2．2 多变量系统的自校正仿人智能协调控制

3．3 小结

第4章 平面倒立摆系统的自校正仿人协调控制

4．1 平面倒立摆系统控制方案

4．2 仿人智能控制器设计

4．2．1 摆杆九点控制器

4．2．2 小车九点控制器

4．3 模糊自校正仿人协调器设计

4．4 小结

第5章 平面倒立摆系统的鲁棒性控制实验

5．1 MATLAB仿真对比实验

5．2 鲁棒性实时控制实验

5．3 实验结果分析

5．4 小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

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