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类型倒立摆模糊控制系统设计与实现[毕业论文] p6 4.doc

  • 上传人:cjc2202537
  • 文档编号:1136692
  • 上传时间:2018-06-14
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    倒立摆模糊控制系统设计与实现[毕业论文] p6 4.doc
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    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。本文主要研究模糊控制方法,首先通过牛顿力学

    2、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, unstable, mu

    3、ltivariable, 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 experience data des

    4、ign 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 stability【K

    5、EYWORDS】 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 .52.3 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

    6、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 .174.2 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 .251 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

    7、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。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 2,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

    8、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 3,只有采用较好的且有效的控制方法才能使倒立摆处于

    9、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

    10、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 4。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

    11、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

    12、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 6。1980 年,Furuta 等人完成了二级倒立摆在倾斜轨道上的稳定控制 7。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 14。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” 16。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

    13、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/Simulink 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

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