一级倒立摆的模糊控制系统设计论文

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1、一级倒立摆的模糊控制系统设计毕业论文目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.2倒立摆的发展21.3模糊控制理论的产生21.4本论文的主要工作3第2章倒立摆的数学模型42.1一级倒立摆的模型42.2一级倒立摆的可控性分析72.3本章小结7第3章模糊控制83.1模糊控制的背景知识83.2模糊控制基本思想83.2.1模糊集合及其运算93.2.2模糊集合的运算93.3模糊逻辑及近似计算113.3.1模糊逻辑113.3.2近似推理113.3.3合成运算方法的选择123.3.4句子连接关系的逻辑运算12III3.4

2、本章小结13第4章模糊控制系统设计144.1模糊控制器的基本结构和组成144.2模糊控制的机构介绍154.2.1单输入-单输出模糊控制器结构154.2.2多输入-多输出模糊控制器164.3一级倒立摆的模糊控制器的设计174.3.1模糊控制器的设计步骤174.3.2模糊控制器的结构设计174.3.3模糊控制器规则的设计174.4精确量的模糊化194.5模糊推理及解模糊方法194.6模糊控制规则表204.7论域、量化因子、比例因子的选择214.7.1论域及基本论域214.7.2量化因子及比例因子214.8本章小结22第5章MAT

3、LAB仿真研究235.1MATLAB软件的介绍235.2SIMULINK工具箱和模糊逻辑工具箱235.3一级倒立摆模糊控制系统仿真245.3.1一级倒立摆系统模块建立245.3.2模糊控制器的设计255.4倒立摆系统仿真325.4.1倒立摆系统的仿真图325.4.2仿真结果335.5本章小结34结论35参考文献37III致谢39附录42III第1章绪论第1章绪论1.1课题背景倒立摆系统的最初研究开始于二十世纪五十年代，麻省理工大学电机工程系设计出单级倒立摆系统这个实验设备。后来在此基础上，人们又进行拓展，产生了各式各样的倒立

4、摆:有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆；倒立摆的级数有一级、二级、三级、四级乃至多级；倒立摆的运动轨道可以是水平的，也可以是倾斜的[1]。倒立摆系统已成为控制领域中不可或缺的研究设备和验证各种控制策略有效性的实验平台，本设计主要针对直线倒立摆进行研究。目前，国内外专家学者主要研究一下两个方向：(1)倒立摆系统的稳定控制研究；(2)倒立摆的自起摆控制研究。就目前的结果来看大部分有集中在第一个方面，即倒立摆控制系统的稳定性研究。目前大致方法分为：线性控制，预测控制，智能控制三大类。现阶段几种较为广泛的控制方法为：

5、PID控制，状态反馈控制，线性二次型(LQR),模糊控制等[2]。在研究倒立摆这类多变量非线性系统的模糊控制时，一个难题就是规则爆炸(RuleEPxofsino)，一级倒立摆的控制涉及的状态变量共有4个，每个变量的论域作7个模糊集的模糊划分，这样，完备的推理规则库会包含74=2401个推理规则；而对于二级倒立摆有6个状态变量，推理规则会达到76=117649，显然如此多的规则是不可能实现的。为了解决这个问题，提出双闭环的倒立摆模糊控制方案，内环控制倒立摆的角度，外环控制倒立摆的位移。将这一方法推广到倒立摆控制系统中，并提出两

6、种模糊串级控制方案，用来解决倒立摆这类多变量系统模糊控制时的规则爆炸问题。应用分级思想，将x，，，4个状态变量分成两个子系统，分别用两个模糊控制器控制，然后来协调子系统之间的相互作用。本文模仿人类简化问题的思路，将单一的复杂控制策略转化为多级简单控制策略嵌套，通过分离变量的方法设计末控制器[3]。3第1章绪论1.2倒立摆的发展早在60年代人们就开始了对倒立摆系统的研究，1966年schaefet和cannon应用bang-bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。在60年代后期，作为一个典型的不稳定严重非线性和快速性系统的

7、控制能力，受到世界各国许多科学家的重视，从而用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆，成为具有挑战的课题之一。直到70年代初，用状态反馈理论对不同类型的倒立摆问题进行了较为广泛的研究，虽然在许多方面都取得了较为满意的效果，但其控制方法过多地依赖于线性后的数学模型，故对一般工业过程特别是数学模型变化或不清晰的对象缺乏指导性的意义。在80年代后期，随着模糊控制理论的快速发展，用模糊控制理论控制倒立摆也受到广泛重视，其目的在于检验模糊控制理论对快速、绝对不稳定系统适应能力。由于模糊控制理论目前尚无简单实用的方法处理多变量问题，故用合适

8、的方法处理一级倒立摆多变量之间的关系，仍是模糊控制理论一级倒立摆的中心问题之一[4]。清华大学的张乃尧等提出了双闭环模糊控制方法控制一级倒立摆。常见的模糊控制器是根据输出偏差和输入偏差变化率来求控制作用，是二输入一输出的探制器。当控制器的输入为两个以上时，控制规则数随输入变量数呈指数增加，