倒立摆模糊控制系统设计与实现本科毕业设计.doc
《倒立摆模糊控制系统设计与实现本科毕业设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《倒立摆模糊控制系统设计与实现本科毕业设计.doc(34页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、编号: 本科毕业设计(论文)题目:(中文)倒立摆模糊控制系统设计与实现 (英文)design and implementation of fuzzy controller for Inverted pendulum学院信息科学与工程学院专业电气工程与自动化班级学号姓名指导教师职称完成日期I宁波大学信息科学与工程学院毕业设计诚 信 承 诺我谨在此承诺:本人所写的毕业论文倒立摆模糊控制系统设计和实现均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担。 承诺人(签名): 年 月 日摘要【摘要】倒立摆是一个高阶次,不稳定,多变量,非线性,强藕合系统。本文主
2、要研究模糊控制方法,首先通过牛顿力学法建立了倒立摆的数学模型,在此基础上分析倒立摆系统的不稳定性,利用专家经验数据设计了基于T-S模型的模糊控制器,在系统稳定的基础上,用Matlab进行倒立摆的仿真实验。最后,在Matlab/Simulink平台上建立倒立摆模糊实时控制模块,从而验证了本文设计的模糊控制器有很好的稳定性。【关键词】倒立摆系统;模糊控制;仿真。Design and implementation of fuzzy controller for Inverted pendulumAbstract【ABSTRACT】Inverted pendulum is a high order,
3、unstable, multivariable, nonlinear, strong coupling system. This paper mainly studies the fuzzy control method, first by Newtonian mechanics method to establish the mathematical model of the inverted pendulum, on the basis of analysis of inverted pendulum system instability, utilizing expert experie
4、nce data design based on T-S model fuzzy controller, in the basis of system stability, using Matlab for inverted pendulum simulation experiment. Finally, in the Matlab / Simulink platform based inverted pendulum fuzzy real time control module, which proves the design of the fuzzy controller has good
5、 stability【KEYWORDS】 inverted pendulum;fuzzy control; simulation。 目录1引言11.1倒立摆研究背景11.2国内外研究情况31.2.1倒立摆稳定控制31.2.2倒立摆自起摆41.3论文的主要内容42数学模型的建立和分析52.1倒立摆的数学模型52.1.1数学建模的方法52.1.2牛顿学方程的建立5 2.3本章小结123 一级倒立摆TS模糊控制器的设计133.1一级倒立摆模糊控制器的设计133.2TS模糊控制器的形式133.3输入变量模糊化143.4模糊控制规则的确定154 倒立摆实时控制实验174.1 倒立摆实时实验系统简介174
6、.2 倒立摆模糊控制实验174.2.1仿真实验174.3倒立摆实物模糊控制实验204.4仿真研究与结果分析214.5本章小结225 总结22参考文献24致谢25271 引言简单介绍倒立摆的研究背景及介绍国内外对倒立摆系统的研究情况。最后简要介绍了本论文主要内容。2.1 倒立摆研究背景随着科学技术的高速发展,控制工程技术所遇到的的新的问题也越来越多,越来越复杂。许多系统具有非线性、不确定性、多变量等特点。然而倒立摆就是这样的一个基于上述描述特点的一个复杂系统,所以对它的研究具有非常重要的实际意义。倒立摆系统开始于火箭发射器,麻省理工学院的科学家利用火箭发射器的设计原理,从而设计出倒立摆的实验设备
7、。倒立摆广泛应用于控制理论、航空航天、杂技顶杆等科学领域的研究,具有十分重要的理论价值和实践意义,并且对研究控制理具有十分重要的意义。倒立摆与自动控制化研究是紧密相关,随着控制理论的逐步发展,自动控制理论是否具有正确性和在实际应用过程中的是否具有可行性,这不仅需要通过仿真实验来验证,更加需要通过理论设计的控制器去控制对象从而来验证上述结论的正确性。倒立摆就是最典型的的被控制对象。其作为一个典型的实验装置,它的结构简单,成本比较低廉,可以根据需要任意设置不同的参数等优点。当我们通过改变小车的位移、摆杆的角度等物理量时,其控制效果的好与坏就非常清楚了。所以倒立摆是自动控制理论研究的及其重要的设备之
8、一。这几年当中,研究倒立摆的方法也越来越复杂,其种类也越来越多,由最初的一级倒立摆发展为现在的多级倒立摆系统;倒立摆系统的发展原因不仅仅是它在高科技中得到广泛应用,而且还因为有各种不同控制算法。因为倒立摆系统是一个及其不稳定的控制系统,它在控制过程中能较好地反映控制过程中的一些问题。如非线性问题、鲁棒性问题、随动性问题等许多问题。把倒立摆作为一个被控对象时,该系统是及其复杂的,然而对于一个非线性、不稳定、高阶次、强耦合系统,只有采用较好的且有效的控制方法才能使倒立摆处于稳定状态。 在控制理论的研究及应用中,涉及倒立摆控制器理论设计,然而该控制理论所涉及的三个基础性学科分别是:数学、力学以及电学
9、三者有机的结合在一起,在倒立摆系统中得到了很好的体现。通过倒立摆的实时控制实验,从而很好的验证了倒立摆的控制器有着很好的稳定性和鲁棒性,是一种非常有效的物理证明方法。因此,人们采用智能控制方法对倒立摆进行控制的研究具有十分重要的理论实践价值,与智能控制方法有关的一些科研成果已经被应用到航天技术等诸多领域,从而使倒立摆在控制理论中一直被科学家作为研究的课题之一,其控制思想与方法在过程控制中有很好的利用价值。倒立摆由原来的简单直线一级倒立摆衍生出许多种类,典型倒立摆有直线倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆、复合倒立摆、Acrobt等其他形式的倒立摆。倒立摆普通算法已经得到普遍采用,但是始终存在一定的局
10、限性,但是模糊控制技术其作为一种人工智能算法在某种程度上模仿了人的控制,与1965年由美国的著名教授查德首先提出了模糊的概念,从而诞生了模糊理论的新学科。然而模糊控制是模糊集合理论中的一个及其重要的方面。1974年,由英国教授马丹尼首先将模糊理论与加热器很好的结合在一起运用,之后模糊控制技术得到了更加广泛的应用。倒立摆具有典型的非线性、不确定性、多变量等特点,故一直是模糊控制领域内研究的主要内容之一。原因有两个,其一:通过倒立摆的研究可以很好的验证现代控制方法的典型实验装置;二模糊的控制思想对工业过程控制具有很好的指导意义。所以,许多大学的控制系统中,倒立摆被当作及其重要的实验装置。 本文以一
11、级倒立摆为例,讲解模糊控制在倒立摆系统的应用。1) 直线倒立摆系列 2) 环形倒立摆系列 3)平面倒立摆系列 4) 复合倒立摆系列如图1-4所示。 图1-1 直线倒立摆系列 图1-2 环形倒立摆系列 图1-3 平面倒立摆系列 图1-4 复合倒立2.2 国内外研究情况对于倒立摆的研究主要集中在两个方面:(1)倒立摆定位在特定位置的稳定系统;(2)倒立摆起摆问题2.1.2 倒立摆稳定控制对倒立摆的研究开始于20世纪50年代,主要集中在直线倒立摆系统的线性控制方面。1976年Mori等人发表了有关倒立摆系统在平衡点附近线性化处理问题的论文,并对此控制器使用了比例微分的算法。1980 年,Furuta
12、等人完成了二级倒立摆在倾斜轨道上的稳定控制。我国著名学者是从上世纪80年代对倒立摆开始研究的,1983年我国的科研人员完成了对一级倒立摆系统的研究。清华大学教授利用连续极点配置法和采样系统或离散系统二次性能指标法等方法,研究了二级倒立摆系统的控制。1996年,张乃尧,发表了文章“倒立摆的双闭环模糊控制”。倒立摆起摆的问题:是控制理论中的一个经典实验,其实质是倒立摆从垂直向下的状态在外力的作用下转移到垂直向上的状态。在此过程中,要求起摆快速,但又不能过于超调。2.3 论文的主要内容本论文以深圳固高公司的GLIP2001型倒立摆为研究对象,围绕倒立摆建立数学模型、控制器的设计、MATLAB/Sim
13、ulink仿真和倒立摆实物系统控制实验等一系列工作展开,对倒立摆系统的研究,具体包括以下几个方面:1.通过Newton方法建立数学模型,并推导出倒立摆系统的动力学方程,以及线性化后的状态方程,并且分析倒立摆系统的可控性; 2. 学习和掌握模糊控制器的设计方法,针对倒立摆的稳定控制问题设计正确的模糊控制器3. 使用Matlab/Simulink软件仿真4. 在GLIP2002倒立摆系统上利用Matlab/Simulink编程实现稳定控制5.对实验结果进行分析2数学模型的建立和分析2.4 倒立摆的数学模型2.1.2 数学建模的方法现在,人们对倒立摆建模的方法主要有两个,一是Lagrange方程法建
14、立倒立摆系统的数学模型,二是利用动力学方程力矩平衡法。根据倒立摆系统的特性,由于其本身是不稳定的系统。所以在实验建模时,为了简单起见,忽略掉一些次要的因素。在理想化情况下,把小车作为质点,把摆杆作为一个匀质物体,这样我们可以在惯性坐标系内采用经典力学理论建立系统的动力学方程。2.1.2 牛顿学方程的建立因为倒立摆属于非线性系统,为了使它近似看成线性进行受力分析,故我们在对倒立摆进行受力分析的时候要忽略我空气中受到的阻力以及各种各样的摩擦力,然后把此系统抽象成小车和摆杆2部分组成的系统,如对小车进行受力分析 如图 2-1 所示。图2-1 直线一级倒立摆的模型下图是系统中小车和摆杆分别的受力分析图
15、。其中,N 和P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。图2-2 小车及摆杆受力分析下面是小车建模时的一些参数:表2-1:倒立摆模型参数表变量变量名M小车质量 m摆杆质量b小车摩擦系数 l摆杆转动轴心到杆质心的长度I摆杆惯量F加在小车上的力 x小车位置 摆杆与垂直向上方向的夹角(逆时针为正)摆杆与垂直向下方向的夹角(顺时针为正)应用Newton方法来建立系统的动力学方程如下:分析小车水平方向所受的合力,可以得到如下的方程: (2-1)然后我们对摆杆的受力情况进行分析,可以得到以下方程: (2-2)合并(2-1)、(2-2)可得到以下运动方程: (2-3)为了得到另一运动方程,我们对摆杆
16、垂直方向上的合力进行分析。可以得到下面方程: (2-4) 摆杆绕其质心转动的力矩平衡方程如下: (2-5)注意:此方程中力矩的方向,由于,故等式前面有负号。合并方程组(2-2)第二个方程和方程组(2-4)的第二个方程,消去P和N,得到系统另一个个运动方程: (2-6)2.1.3对运动学方程线性化并建立状态空间表达式因为,而从图中可以看到是倒立摆摆杆与垂直向上方向的夹角,当非常小,比1弧度还要小,那么可以将近似看成0,那么可以将公式近似处理成:,将小车收到的力F用来表示,就可以列出2个运动学方程线性化,可得方程组:(2-7) 对上式方程组(29)进行拉普拉斯变换,可得方程组: (2-8) 传递函
17、数的获得:对(2-8)式进行拉氏变换得 (2-9)注意:推导传递函数时假设初始条件为0由于输出为角度,求解方程组(2-8)的第一个方程,可以得到: (2-9)或者 (2-10)如果令,则有: (2-11)把(1-11)代入方程组(1-8)的第二个方程,得到以下方程: (2-12)整理得到,输入到输出-摆杆角度的传递函数: (2-13)进而得到输入到输出-小车位置的传递函数: (2-14)其中该系统的状态空间方程为: (2-15)选择状态变量为小车位置x ,小车速度 ,摆杆的位置 ,摆杆的速度从而所得到的状态空间表达式为:方程组 对解代数方程,得到解如下: (2-16)整理后得到系统状态空间方程
18、: (2-17) (2-18)由方程组(2-7)的第一个方程: (2-19)对于均匀质量的摆杆会有: (2-20)然后可以得到: (2-21)对上式进行化简得到: (2-22)设,则有: (2-23) (2-24)2.5 可控性的初步分析首先对该系统的稳定性有个初步的认识,使用MATLAB 进行仿真测试没有加入任何控制策略下的系统的稳定性。要想对系统进行稳定性的判断,就要对上述状态空间表达式中的变量进行赋值,赋值如下:实际系统的模型参数如下:M 小车质量 1.096kgm 摆杆质量 0.109kgl 摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25mI 摆杆惯量 0.0034kg*m*mb 小车摩擦系数
19、0.1N/m/sec以小车加速度作为输入的系统状态方程: (2-25) (2-26) 我们在做实验的时候,固高科技所有提供的控制器设计和程序中,采用的都是以小车的加速度作为系统的输入。在我们所学习的自动控制原理中第九章线性系统的状态空间分析与综合。,得出了判定系统可控的方法。对于线性定常系统状态完全可控的充分必要条件是rank=n其中,n为矩阵A的维数;S=称为系统的可控性判别阵。系统的输出可控性的条件为:当且仅当矩阵的秩等于输出向量y的维数。我们可以通过MATLAB软件来计算出系统式完全可控性和输出可控性 从以上程序运行的结果可以得知,如果一个系统可控,则该系统完全可控性矩阵的秩应该与系统的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 倒立 模糊 控制系统 设计 实现 本科 毕业设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【胜****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【胜****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。