改进粒子群算法在二级倒立摆控制系统中的研究

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1、分类号TP273密级公开UDC621.3学校代码10500硕士学位论文（全日制学术学位）题目：改进粒子群算法在二级倒立摆控制系统中的研究英文题目：ResearchonImprovedParticleSwarmOptimizationAlgorithminDoubleStageInvertedPendulumControlSystem学位申请人姓名：彭慧刚申请学位学科专业：控制理论与控制工程指导教师姓名：吴麟章二○一六年六月分类号密级UDC学校代码硕士学位论文题目改进粒子群算法在二级倒立摆控制系统中的研究英文题目ResearchonImp

2、rovedParticleSwarmOptimizationAlgorithminDoubleStageInvertedPendulumControlSystem研究生姓名（签名）指导教师姓名（签名）职称申请学位学科名称学科代码论文答辩日期学位授予日期学院负责人（签名）评阅人姓名评阅人姓名年月日学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体

3、，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要控制理论中的的许多典型问题都体现在二级倒立摆系统中，如常见的随动性、自然不稳定性、鲁棒性、非线性等问

4、题，这些问题是许多实际工程的典型研究对象，同时很多控制对象都是基于倒立摆系统来建模的，例如航天飞船、双足机器人的步态规划等物理系统，所以对倒立摆系统的研究有着非常重要的理论意义和实际意义。二级倒立摆系统常采用LQR控制器控制，该控制器具有良好的动态特性和鲁棒性，在LQR控制器中需要确定合适的加权矩阵Q和R才能实现优化控制。传统的做法大多是依靠人工来设定Q和R值，难以达到精确要求而且效率比较低，这就影响了二级倒立摆控制系统的稳定性，响应速度以及系统的超调量等性能指标。基于以上存在的问题，本研究提出采用改进粒子群优化算法来对LQR控制器中的

5、加权矩阵Q和R进行优化，获得合适的Q和R值，实现二级倒立摆控制系统的优化控制。本文围绕改进粒子群优化算法应用在二级倒立摆控制系统中，实现倒立摆控制系统的优化控制做了如下工作：1)介绍了倒立摆控制系统研究的背景和意义，国内外研究现状，以及常用的控制方法及各种方法的优缺点。构建了二级倒立摆控制系统模型，分析了倒立摆系统的特性，进而找出了LQR控制二级倒立摆系统存在的问题，提出改进粒子群优化算法应用在LQR控制器控制倒立摆的可行性；2)针对传统粒子群优化算法局部搜索能力不足和易出现“早熟”收敛等问题,本研究对惯性权重，学习因子和当前局部最优值

6、进行改进，提高了算法的搜索性能，抑制“早熟”收敛问题，并在数值上进行实验验证，实验结果验证了改进粒子群优化算法的有效性；3)将改进粒子群优化算法应用在LQR控制器Q和R值的优化上，通过实验对比分析表明改进粒子群优化算法的LQR控制器在控制二级倒立摆上可以改善倒立摆控制系统的部分性能，在工程实践中可以根据实际情况选择改善性能的侧重点，满足工程实际需要。也进一步说明了本文所提出的改进粒子群算法是有效和可行的。4)搭建了二级倒立摆软硬件实验平台。关键词：倒立摆，LQR，粒子群算法IAbstractManyproblemsofthecontro

7、ltheoryareembodiedinthedoubleinvertedpendulumsystem，suchascommonservo，naturalnotstability，robustness，andnonlinearproblem.Theseproblemsaremanypracticalengineering’stypicalresearchobject，atthesametime，alotofcontrolobjectsaremodeledbasedontheinvertedpendulumsystem，suchasthe

8、spaceshuttleandthegaitplanningofbipedrobotphysicalsystem，andsotheresearchofinvertedpendulumsystemhasver