基于粒子群優(yōu)化的二級倒立擺控制研究

1、分類號：TP273學校單位代碼：10446碩士學位論文論文題目論文題目：基于粒子群優(yōu)化的二級倒立擺控制研究研究生姓名：吳秀民學科、專業(yè)：運籌學與控制論(控制論)研究方向：非線性系統(tǒng)控制導師姓名、職稱：魏春玲副教授論文完成時間：2012年3月I摘要倒立擺系統(tǒng)是一個多變量、強耦合、自然不穩(wěn)定的高階非線性系統(tǒng)，研究它的控制設計具有很大的意義。一方面可以反映許多控制理論中的經(jīng)典問題，如系統(tǒng)魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、跟蹤問題；另一方面對于軍事工業(yè)、航

2、天儀器、機器人領域和一般工業(yè)進程也有著很高的理論指導意義，是控制理論與實際應用的橋梁；倒立擺系統(tǒng)作為檢驗各種控制算法和控制理論的典型實驗裝置，為檢驗控制器設計方法的有效性做了重要貢獻。本文以直線二級倒立擺系統(tǒng)為研究對象，將粒子群算法應用到傳統(tǒng)控制理論和智能控制理論當中，設計了基于粒子群優(yōu)化的二級倒立擺LQR最優(yōu)控制器和基于粒子群優(yōu)化的二級倒立擺模糊控制器，并對倒立擺實物系統(tǒng)進行了實時控制。具體研究內容如下：1）介紹倒立擺系統(tǒng)的研究背景和

3、研究現(xiàn)狀，運用拉格朗日方程建立二級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學機理模型，并在平衡點附近進行線性化處理得到其狀態(tài)空間方程，運用線性控制理論對其進行定性分析，證明了直線二級倒立擺系統(tǒng)的自然不穩(wěn)定性和平衡位置附近的能控能觀性。2）介紹LQR最優(yōu)控制和粒子群算法的基本原理。利用粒子群算法所具有的智能式搜索、漸進式優(yōu)化，快速收斂等特點，獲取Q、R的全局最優(yōu)解，從而設計狀態(tài)反饋控制律K，實現(xiàn)基于粒子群算法優(yōu)化的二級倒立擺LQR控制器設計，并仿真驗證了控制方法的

4、有效性。3）利用LQR控制器設計的狀態(tài)反饋控制率K，設計信息融合函數(shù)，將系統(tǒng)輸入變量降維，然后將粒子群算法的強大優(yōu)化功能應用到比例因子和加權因子的選取當中，實現(xiàn)了基于粒子群優(yōu)化的二級倒立擺模糊控制器設計，并通過仿真驗證了控制方法的有效性。最后對所設計的兩種控制器進行了仿真對比分析，結果表明基于粒子群算法優(yōu)化的模糊控制器具有更好的穩(wěn)定性和魯棒性。4）在MATLAB實驗平臺上運用所設計兩種控制器對二級倒立擺進行實時控制，結果表明兩種控制器都