基于蛙跳算法的板球系統(tǒng)控制研究.pdf

1、板球系統(tǒng)是球桿系統(tǒng)在平面空間的二維拓展，是一種具有強(qiáng)耦合性、復(fù)雜性、非線性、參數(shù)不確定性、機(jī)械摩擦以及外界隨機(jī)干擾因素的被控對(duì)象，與球桿系統(tǒng)相比，板球系統(tǒng)的控制更為復(fù)雜，非線性不穩(wěn)定的特點(diǎn)表現(xiàn)得更加突出，實(shí)驗(yàn)研究的易用性和經(jīng)典性讓它漸漸成為控制理論研究的一個(gè)重要研究平臺(tái)；此外，板球系統(tǒng)在非線性系統(tǒng)的分析及建模、計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)軌跡的多目標(biāo)規(guī)劃等諸多領(lǐng)域中被廣泛提及，多領(lǐng)域的結(jié)合特性使得該系統(tǒng)的研究具有挑戰(zhàn)性。

2、蛙跳算法作為群智能算法的一種，自提出后被眾多學(xué)者應(yīng)用到控制工程領(lǐng)域，并有許多出色的工程應(yīng)用案例；也用于控制參數(shù)的離線整定和優(yōu)化，這種結(jié)合“離線”的控制算法被應(yīng)用在仿真實(shí)驗(yàn)中，控制參數(shù)的單一性制約其得到更廣泛的應(yīng)用。如果能將蛙跳算法“在線”地與控制算法結(jié)合，在板球系統(tǒng)控制的過程中，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線自動(dòng)整定和在線自校正，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，這種控制策略尚無案例用于板球系統(tǒng)控制的研究。本文以板球系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其控制算法進(jìn)行研究探索，通過

3、引入蛙跳算法對(duì) PID控制參數(shù)進(jìn)行“在線”自整定和自校正，從而實(shí)現(xiàn)板球系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
　　本文以基于視覺檢測(cè)的板球系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)板球系統(tǒng)的控制展開研究。首先，分析了板球系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和特性，建立線性化板球系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；其次，優(yōu)化板球系統(tǒng)的視覺檢測(cè)方法，提高系統(tǒng)抗干擾性；接著，提出將蛙跳算法與PID控制“在線”結(jié)合的SFLA-PID控制算法，并將該算法成功應(yīng)用于板球系統(tǒng)的SFLA-PID控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了板球系統(tǒng)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制和

4、定軌跡運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文所提出的SFLA-PID控制算法具有可行性，便捷有效，有良好的魯棒性；將SFLA-PID控制算法應(yīng)用于板球系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中，定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制精度和控制準(zhǔn)確度高，單周期的定軌跡運(yùn)動(dòng)控制效果也較好；在進(jìn)行系統(tǒng)控制的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn) PID控制參數(shù)的在線自整定和自校正，將系統(tǒng)的不確定性和擾動(dòng)對(duì)控制精度的影響盡可能地降低，從而改善了控制品質(zhì)，快速達(dá)到控制目標(biāo)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對(duì)實(shí)物研究對(duì)象和理論

5、研究對(duì)象的背景、意義、研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)地闡述，分析了板球系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與特性，采用拉格朗日力學(xué)原理建立板球系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，選取角度控制量線性化動(dòng)力學(xué)模型，建立了系統(tǒng)完全線性化的數(shù)學(xué)模型。⑵針對(duì)板球系統(tǒng)視覺檢測(cè)方法的不足，改進(jìn)、優(yōu)化和完善圖像預(yù)處理步驟，提高小球質(zhì)心定位的準(zhǔn)確性和控制系統(tǒng)的整體性能，設(shè)計(jì)如下視覺檢測(cè)的優(yōu)化方法：圖像平滑、邊緣檢測(cè)、OTSU閾值二值化、質(zhì)心提取和小球定位的優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用優(yōu)化后的視覺檢測(cè)方法，提

6、取質(zhì)心的結(jié)果和小球定位的結(jié)果都更準(zhǔn)確，使系統(tǒng)具有更好的抗干擾性。⑶利用蛙跳算法具有“淘汰、進(jìn)化、傳承”的思想，將蛙跳算法與PID控制算法進(jìn)行“在線”結(jié)合，提出了SFLA-PID參數(shù)自整定的控制算法，設(shè)計(jì)了SFLA-PID控制器，實(shí)現(xiàn)了板球系統(tǒng)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SFLA-PID控制算法可行，該方法定位控制效果好，優(yōu)化參數(shù)的速度快，具有控制參數(shù)在線自整定和自校正的能力，最終能使板球系統(tǒng)快速地達(dá)到穩(wěn)定。⑷將SFLA-PID控制算法

7、、PID控制算法、模糊PID控制算法進(jìn)行板球系統(tǒng)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)；考慮到實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行多次時(shí)，并不是每次都能達(dá)到設(shè)定的控制要求或控制精度。進(jìn)行多次、多類別實(shí)物實(shí)驗(yàn)后，從控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和控制準(zhǔn)確度三個(gè)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果表明：在定點(diǎn)控制實(shí)驗(yàn)中，本文提出的SFLA-PID控制算法不僅能夠達(dá)到控制要求，而且控制精度最高，控制準(zhǔn)確度最高，控制效果最優(yōu)；使用SFLA-PID控制算法進(jìn)行單周期的三角形定軌跡運(yùn)動(dòng)控制，跟蹤速度快，