模糊仿人智能控制在倒立摆系统中的应用研究

摘要

仿人智能控制技术因具有独特的多模态切换、开闭环控制相结合等特点，已经形成了比较完善的理论体系和比较系统的设计方法，逐渐发展成为一个独立的研究分支。近年来，PID控制、遗传算法控制、神经网络控制等方法被应用于仿人智能控制系统的设计中，促进了仿人智能控制更加快速的发展。
　　 本文在系统地分析了仿人智能控制原理和模糊逻辑控制原理的基础上，结合两者多年的研究成果，提出一种新型的模糊仿人智能控制方法。这种新型的控制方法立足于仿人智能控制方法和模糊控制方法的交叉融合研究，将模糊控制应用于仿人智能控制系统的设计中，充分利用两种控制方式的优点来优化控制器的设计，既能有效解决控制系统稳定性、准确性和快速性之间的矛盾，又能使系统具有良好的抗随机干扰的能力。理论联系实际，将模糊仿人智能控制方法应用于控制领域的经典难题——直线一级、二级倒立摆系统的自摆起倒立稳定的控制中，验证方法的有效性。
　　 以“仿人”、“人-机结合”、“定性-定量结合”为指导思想，把直线一级、二级倒立摆系统的自摆起倒立稳定过程简化为复杂任务的分解、基于特征的对象模型的建立、由智能基元组成的多控制指标的实现等实现步骤，分阶段全面分析了其中的设计与实现方法，对总的控制模态和与之相对应的多模态控制策略分别进行总结，力图为倒立摆系统的自摆起倒立稳定控制建立更加具有广泛意义的模糊仿人智能控制体系。为了避免两控制器切换过程中产生不必要的扰动，提出能够进一步模拟人类智能的实现过程——“平滑”切换的理念，满足切换条件后仿人智能控制器自动切换为模糊控制器，实现倒立摆系统的稳定控制。通过在Matlab环境下利用Simulink仿真工具构造直线一级、二级倒立摆系统以及分别针对上述两系统的模糊仿人智能控制器的非线性模型，建立两个总体仿真系统图，测试控制效果。仿真结果表明，该方法行之有效，可以使直线一级、二级倒立摆系统实现自摆起倒立稳定，保证摆杆快速、稳定、准确的运动到平衡位置附近的同时，又抑制了控制器切换瞬间外界干扰对摆杆角度造成剧烈变化的现象。进一步证明了理论分析的正确性和设计方法的有效性，提高了模糊仿人智能控制的普适意义，为面向复杂控制任务的人类智能的模拟及其实际应用开辟了广阔前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

第1章 绪论

1.1倒立摆系统及其研究意义

1.2倒立摆系统国内外研究现状

1.2.1稳定问题的研究

1.2.2摆起倒立问题的研究

1.3本文主要工作

第2章 仿人智能控制理论

2.1仿人智能控制器的原型算法

2.2智能属性分析

2.2.1特征基元、特征状态、特征模型

2.2.2特征记忆、特征辨识与多模态控制

2.2.3启发式搜索和直觉推理

2.3仿人智能控制的静态特性分析

2.4仿人智能控制器的高阶产生式系统结构

2.5本章小结

第3章模糊仿人智能控制

3.1模糊控制理论基础及模糊控制中知识表示

3.1.1模糊控制系统

3.1.2模糊控制器

3.1.3基于“如果-则”规则的模糊推理

3.2模糊仿人智能控制

3.3小结

第4章直线一级倒立摆系统的模糊仿人智能控制设计与仿真

4.1直线一级倒立摆的数学模型

4.2直线一级倒立摆系统的模糊仿人智能控制器的设计

4.2.1初始运动阶段

4.2.2自摆起控制阶段

4.2.3稳定控制阶段

4.2.4切换控制

4.3直线一级倒立摆的模糊仿人智能控制系统分析

4.4直线一级倒立摆的模糊仿人智能控制器的仿真分析

4.4.1直线一级倒立摆的Simulink模型

4.4.2模糊仿人智能控制器的建模与仿真

4.5本章小结

第5章直线二级倒立摆系统的模糊仿人智能控制设计与仿真

5.1直线二级倒立摆的数学模型

5.2直线二级倒立摆系统的模糊仿人智能控制器的设计

5.2.1初始运动阶段

5.2.2自摆起控制阶段

5.2.3姿态调整控制阶段

5.2.4稳定控制阶段

5.2.5切换控制

5.3直线二级倒立摆的模糊仿人智能控制系统分析

5.4直线二级倒立摆的模糊仿人智能控制器的仿真分析

5.4.1直线二级倒立摆的Simulink模型

5.4.2模糊仿人智能控制器的建模与仿真

5.4本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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