智能控制論文

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科目： 智能控制 姓名： 學(xué)號(hào)： 院系： 教師： 時(shí)間： 2015-12-26 第1章 直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型單極倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量、不穩(wěn)定和強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。對(duì)于單極倒立擺系統(tǒng)，目前已有多種控制方法可對(duì)其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)擺控制。典型的有線性PID控制、常規(guī)PID控制、LQR控制(線性二次型調(diào)節(jié)器控制)、智能控制等。1.1 倒立擺的組成這里只介紹最基礎(chǔ)的組成部分。小車由電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)在滑桿上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)[桿平衡。電機(jī)編碼器和角編碼器向運(yùn)動(dòng)卡反饋小車和擺桿位置（線位移和角位移），如圖3.2 。1.2 模型的建立對(duì)于倒立擺系統(tǒng)，可以看作是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)的剛體系統(tǒng)，在慣性

2、坐標(biāo)系內(nèi)應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)理論建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。下面我們采用其中的牛頓歐拉方法建立直線型一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。1.2.1 微分方程的推導(dǎo)在忽略了空氣阻力，各種摩擦之后，可將直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)，如下圖1.2所示 圖1.2 一級(jí)倒立擺簡(jiǎn)化模型我們不妨做以下假設(shè)：M為小車質(zhì)量、m為擺桿質(zhì)量、b為小車摩擦系數(shù)、l擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度、I為擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、F為加在小車上的力、x為小車位置、為擺桿與垂直向上方向的夾角、擺桿與垂直向下方向的夾角（考慮到擺桿初始位置為豎直向下）。通過(guò)對(duì)小車及桿的受力分析，運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)，最終得到如下運(yùn)動(dòng)方程： (1.1)1.2.2 狀態(tài)空間結(jié)

3、構(gòu)方程系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為 (1.2)我們將作為狀態(tài)變量X，推動(dòng)力F最為輸入u，小車水平位移x及夾角作為輸出y，帶入方程組(1.2)，然后對(duì)解代數(shù)方程，整理后得到系統(tǒng)狀態(tài)空間方程： （1.3） （1.4）由公式(1.1)的第一個(gè)方程為： （1.5）對(duì)于質(zhì)量均勻分布的擺桿有： (1.6)于是可以得到： (1.7)化簡(jiǎn)得到： (1.8)設(shè)，則有： (1.9)實(shí)際的系統(tǒng)模型如下：M 小車質(zhì)量 1.096 Kg m 擺桿質(zhì)量 0.109 Kg b 小車摩擦系數(shù) 0 .1N/m/sec l 擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度 0.2 5m I 擺桿慣量 0.0034 kg*m*m T 采樣頻率 0.005秒 1.

4、2.3 實(shí)際系統(tǒng)模型把上述參數(shù)代入，可以得到系統(tǒng)的實(shí)際模型： (1.9)第2章 模糊控制器2.1 模糊控制簡(jiǎn)介模糊控制是近代控制理論中的一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推理的高級(jí)控制策略和新穎技術(shù)，它是智能控制的一個(gè)重要分支，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，實(shí)效顯著，引人關(guān)注。模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)控制方法。顯然，模糊控制的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)，模糊控制的實(shí)現(xiàn)手段是計(jì)算機(jī)。2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)圖2.1為我們?cè)O(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)圖，可以看到圖中有兩個(gè)模糊控制器DLB1和DLB2。DLB1為位移模糊控制器。我們根據(jù)實(shí)際情況繪制了一組隸屬度函數(shù)圖，如圖2.2所示。其中有兩個(gè)

5、輸入量和一個(gè)輸出量。我們以位移偏差隸屬度函數(shù)為例做簡(jiǎn)要介紹：假如小車的位移偏差為0.5時(shí)，圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)顯示位移偏差屬于ZE和屬于PB的隸屬度分別為0.5。然后我們根據(jù)繪制的隸屬讀函數(shù)圖可以確定位移模糊控制器的控制規(guī)則，如圖2.3所示。圖2.1 模糊控制系統(tǒng)圖圖2.2 位移模糊控制器隸屬度函數(shù)圖2.3 位移模糊控制器的控制規(guī)則DLB2為角度模糊控制器，對(duì)應(yīng)的模糊控制器隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則如下圖所示。由于與位移模糊控制器原理相同，這里不做過(guò)多說(shuō)明。圖2.4 角度模糊控制器隸屬度函數(shù)圖2.3 角度模糊控制器的控制規(guī)則此時(shí)我們?cè)賹?duì)圖2.1所示模糊控制系統(tǒng)圖進(jìn)行分析就更加容易理解了。圖中DBL1對(duì)應(yīng)位移模

6、糊控制器，它有兩個(gè)輸入量小車位移和速度。DBL2對(duì)應(yīng)角度模糊控制器，它有兩個(gè)輸入量角度和角速度。這兩個(gè)控制器控制第一章我們建立的一級(jí)倒立擺模型的狀態(tài)空間（即圖中的status space）。然后我們選取位移x和角度作為觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行分析。2.3 模糊控制結(jié)果分析我們把上述模糊控制系統(tǒng)的控制結(jié)果繪制成兩幅曲線圖：圖2.4 小車位移-時(shí)間曲線 圖2.5 擺桿角度時(shí)間-曲線圖2.4中，小車在前幾秒的位移有一個(gè)較大幅度的擺動(dòng)，20秒之后擺動(dòng)幅度大大縮小，對(duì)應(yīng)的擺桿角度時(shí)間-曲線中，擺桿夾角也在0度左右有一個(gè)小幅度擺動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。第3章 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器本組有兩個(gè)組

7、員分別問(wèn)我和袁帥。我在這次的控制器設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)模糊控制器的設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，所以對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的部分不做介紹。結(jié) 論本次智能控制節(jié)課作業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是關(guān)于直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)模糊控制設(shè)計(jì)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)，其中涉及了關(guān)于智能控制方面的很多知識(shí)。也有關(guān)于數(shù)學(xué)建摸方面的知識(shí)以及MATLAB軟件的應(yīng)用。此次設(shè)計(jì)任務(wù)是建立直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在系統(tǒng)內(nèi)加一個(gè)模糊控制器或者一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，使其構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，并進(jìn)行MATLAB仿真，給出實(shí)際控制曲線和控制器參數(shù)并進(jìn)行分析。本人主要負(fù)責(zé)模糊控制器部分的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)際情況繪制隸屬度函數(shù)圖，指定控制規(guī)則，將控制規(guī)則應(yīng)用于一級(jí)倒立擺模型，

8、并使用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，控制效果符合要求。模糊控制器相比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有著更加簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，但控制效果不如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。參考文獻(xiàn)1黃堅(jiān).自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2004.1 2孫德寶.自動(dòng)控制原理M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.7 3胡壽松.自動(dòng)控制原理（第四版）M.北京：科學(xué)出版社，2001.2 4周伯敏.自動(dòng)控制理論M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.15夏德鈐，翁貽芳.自動(dòng)控制理論M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.16劉時(shí)鵬.MATLAB環(huán)境下直線單級(jí)倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì)R.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,2004.67實(shí)驗(yàn)室.倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書R.8劉金琨. 先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2003.1 9陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200