基于云模型理论的倒立摆智能控制方法研究

摘要

智能控制是一类具有某些仿人智能行为特征的控制策略，主要针对模型参数复杂、模型结构难以用数学方法精确描述的被控对象。李德毅院士提出的云模型理论是基于不确定性人工智能的思想，该理论着重于对象的不确定性分析，将模糊性与随机性结合在一起，实现了定性概念与定量数值之间的不确定性转换，基于该理论的方法现已成功地运用于倒立摆的稳定控制、知识开采和数据挖掘、系统效能评估等方面。倒立摆系统作为一种实验设备，在教学和科研过程发挥着重要作用，它以其自身的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定性，成为检验各种控制理论和方法的理想模型。
　　 本文以云模型理论作为基石，对一级倒立摆系统的稳定控制问题进行了研究。首先，采用牛顿力学方法建立了倒立摆系统的数学模型，分析了倒立摆系统的定性控制机理，并给出了倒立摆系统的各种动平衡模式。其次，详细阐述了云模型的基本理论，重点分析了正态云模型的正向云发生器和逆向云发生器，并对定性规则的云推理进行介绍。再次，基于正态分布的“3En原则”对隶属云概念判定的算法进行了改进，改进后的算法降低了模糊概念判定的时间复杂度，且用于云推理时可以避免激活无效规则。此外，本文以MATLAB语言为工具对正向云发生器和逆向云发生器进行了软件实现，为倒立摆系统云控制器设计的实现提供了软件支持。最后，利用改进的云模型控制算法对倒立摆系统进行控制，并与线性二次型最优控制(LQR)控制方法进行对比，仿真结果表明，该方法控制的倒立摆系统具有良好的动态响应性能和鲁棒性，体现了云模型理论在处理不确定性问题上所具有的优势。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 智能控制的发展概况

1.2.1 智能控制的兴起

1.2.2 智能控制的应用现状

1.2.3 云模型理论的发展及现状

1.3 倒立摆系统智能控制发展概况

1.4 研究的目的和意义

1.5 论文主要研究的内容

第2章 倒立摆系统的建模及分析

2.1 倒立摆简介

2.2 倒立摆控制机理

2.3 倒立摆系统建模

2.4 倒立摆性能分析

2.4.1 稳定性分析

2.4.2 能控、能观性分析

2.5 倒立摆系统的动平衡模式分析

2.6 本章小结

第3章 云模型理论

3.1 云模型的引出

3.2 云的基本概念及数字特征

3.2.1 云和云滴

3.2.2 云的数字特征

3.2.3 云模型的类型

3.2.4 正态云模型

3.3 云发生器

3.3.1 正向云发生器

3.3.2 逆向云发生器

3.4 定性规则的云推理

3.4.1 前件云发生器和后件云发生器

3.4.2 单条件单规则云发生器

3.4.3 单条件多规则云发生器

3.5 本章小结

第4章 云发生器的算法及软件实现

4.1 正态云发生器的算法

4.2 隶属云概念判定的改进算法

4.2.1 正态云的“3En”原则

4.2.2 隶属概念判定算法

4.2.3 隶属概念判定的改进算法

4.3 正态云发生器的软件实现

4.3.1 正态随机数生成原理

4.3.2 正向云发生器软件实现

4.3.3 逆向云发生器软件实现

4.4 本章小结

第5章 云模型理论在倒立摆系统中的应用

5.1 倒立摆系统的云控制

5.1.1 控制方案的选取

5.1.2 云控制器设计

5.1.3 云控制仿真及结果分析

5.2 云控制与LQR控制方法的比较

5.2.1 LQR控制基本原理及分析

5.2.2 LQR控制MATLAB仿真

5.2.3 仿真结果及分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢