平面倒立擺系統(tǒng)的模糊自校正仿人智能協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、倒立擺被譽為自動控制領域中“皇冠上的珍珠”，是一種具有多變量、非線性、強耦合、不穩(wěn)定等若干典型特征的被控對象，能夠模擬研究火箭發(fā)射中的垂直度控制、火箭的飛行控制、步行機器人的穩(wěn)定控制等若干尖端科學技術;所以，從某種意義上講，實現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，就意味著在很大程度上解決了一類具有非線性、強耦合、多變量特性系統(tǒng)的穩(wěn)定控制的關鍵問題之一。平面倒立擺系統(tǒng)，有時又被稱作空間倒立擺系統(tǒng)，是自由度數(shù)最多的一類倒立擺系統(tǒng)，工程實踐應用背景更逼真、

2、更具廣泛性和代表性，對其研究自然也更具挑戰(zhàn)性;因而是本文的研究中心點。
　　仿人智能控制理論是國內(nèi)學者提出的控制理論與方法，體現(xiàn)人類的控制經(jīng)驗和邏輯，已經(jīng)形成基本理論體系并在工業(yè)過程領域得到比較廣泛的工程應用，經(jīng)受住了時間的考驗和實踐的檢驗。針對多變量耦合系統(tǒng)的仿人智能協(xié)調(diào)解耦控制是仿人智能控制理論最重要的思想方法之一，已有較多出色的工程應用案例。但是，傳統(tǒng)的仿人智能協(xié)調(diào)控制還不能很好地解決可能存在的控制量跳躍的問題，從而限制了其

3、環(huán)境適應性，開始越來越制約其得到更廣泛的應用;因此，對這個問題的研究探索將是本文的理論研究落腳點。
　　本文充分分析平面倒立擺系統(tǒng)的物理結構與特性后，采用拉格朗日力學原理以更貼近控制系統(tǒng)物理實際和更簡潔的步驟建立了平面倒立擺系統(tǒng)的動力學模型，而后將系統(tǒng)非線性模型在擺桿的倒立穩(wěn)定平衡位置附近線性化，得到各坐標軸方向上線性化解耦后的系統(tǒng)數(shù)學模型。隨后，針對仿人協(xié)調(diào)控制存在的控制量跳躍問題，本文通過引入模糊控制技術，提出一種仿人智能協(xié)調(diào)

4、控制算法對控制器參數(shù)實施在線、實時、動態(tài)調(diào)整的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制策略;所設計控制策略在對各個單回路的仿人智能控制器設計時，采用與仿人智能控制理論思想有異曲同工之妙的九點控制器方法。最后，本文作者成功地將本文提出的控制策略成功應用于平面倒立擺系統(tǒng)的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制器的設計，隨后的MATLAB仿真實驗和實物對象系統(tǒng)的實時控制實驗表明:本文所提出的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制策略簡便有效，并且具有良好的環(huán)境適應性和魯棒性。
　　本文

5、的主要工作及其新穎之處闡述如下。
　　首先，系統(tǒng)性地介紹了本文所研究課題的背景及意義、研究現(xiàn)狀。特別地，以一系列表格、按照時間順序系統(tǒng)性地呈現(xiàn)出本文所研究的平面倒立擺系統(tǒng)和仿人智能控制理論已經(jīng)走過的研究歷程。
　　接著，為了更好地分析、認識被控對象，建立了平面倒立擺系統(tǒng)的動力學模型，并在倒立穩(wěn)定平衡位置附近將其線性化，得到了系統(tǒng)在正交的X-Y方向上線性化解耦后的模型，為后續(xù)控制器設計找到了突破口。區(qū)別于其它文獻中建模時將擺桿

6、在空間上的任意轉角表示為X與Y方向偏轉角度合角的方式，本文在建模時摒棄了這一步驟，而是分別直接采用X、Y方向旋轉編碼器所測的角度值作為直接參數(shù);本文認為，這樣不僅簡化了繁瑣的數(shù)學公式推導，而且有助于人們從直觀的物理角度認識、理解平面倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制的真實物理過程。
　　再者，通過文獻綜述闡釋了仿人智能控制理論的基本理論體系，以及九點控制器與仿人智能控制思想的相似之處，提出了將九點控制器和仿人智能協(xié)調(diào)控制思想結合起來，并引入模糊控

7、制方法，從而形成一種針對多變量耦合系統(tǒng)的新型模糊自校正仿人智能協(xié)調(diào)解耦控制策略，通過該方案解決傳統(tǒng)仿人智能協(xié)調(diào)控制存在的控制量跳躍的問題。
　　隨后，本文正式提出針對平面倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制的模糊自校正仿人協(xié)調(diào)控制策略，并詳細描繪了所設計控制策略的各個環(huán)節(jié)。所設計的控制器具有控制參數(shù)在線、連續(xù)自校正功能，量化因子、比例因子、放大因子的設計也為優(yōu)化控制器的關鍵參數(shù)，進而優(yōu)化控制效果起了重要作用。通過MATLAB仿真實驗和平面倒立擺系統(tǒng)

8、實物對象實時控制實驗，驗證了所設計控制策略的有效性和控制器的魯棒性。在MATLAB軟件中Simulink仿真平臺的仿真實驗表明，較之于基于被控對象精確數(shù)學模型的LQR控制方法，本文所采用控制策略不依賴于被控對象數(shù)學模型、且擺桿的穩(wěn)擺范圍擴大了大約一倍，這表明本文所設計控制方案具有優(yōu)秀的控制效果;而且，在仿真實驗條件下擺脫了對被控對象數(shù)學模型的依賴，這能大大縮短控制器設計周期。通過平面倒立擺系統(tǒng)實時控制的對比實驗，則更加證實了所設計控制策