文档介绍：摘要
本文围绕三级倒立摆系统,主要采用一模糊控制理论研究了倒立摆的控制
系统仿真和实物系统控制问题。倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强祸
合和快速运动的自然不稳定系统。因此倒立摆在研究双足机器人直立行走、火箭
发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有重要的现实意义,相关的科研成
果己经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。
本文设计思想是借助于系统的线性化模型设计三级倒立摆系统模糊控制器,
这种方法将线性系统理论与模糊控制技术相结合,将单一的复杂控制策略转化为
多级控制策略嵌套,大大简化了三级倒立摆系统模糊控制器的设计步骤。仿真与
实物实验证明了本文设计的一模糊控制器有很好的稳定性、鲁棒性和适应性。
主要研究工作如下
建立了三级倒立摆实物系统的数学模型,并对倒立摆系统进行了定性分析。
从而证明了倒立摆系统开环是不稳定的,但在平衡点是能控的和能观的,同时指
出三级倒立摆的相对能控度很小,说明其很难控制。
进行了倒立摆系统的控制方法研究。运用最优控制理论,探讨了加权矩
阵和的选取方法。介绍了如何利用建立倒立摆系统模型,进行了三级
倒立摆的控制器的设计与仿真,并利用建立了二级倒立摆的
控制模型,实现了二级倒立摆实物系统控制。给出了二级倒立摆稳定时和受干扰
时各状态变量的响应曲线和控制量曲线以及倒立摆稳定时的照片。
进行了一模糊控制方法的研究。运用最优控制方法设计了最优状态变量合
成函数,减少模糊控制器的输入变量维数,成功解决了“规则爆炸”问题。研究
了量化因子对控制效果的影响,通过设置闽值使量化因子可以自动切换,进而提
升了模糊控制器的性能品质。
利用和工具进行了三级倒立摆模糊控制系统的仿真研究。
该工具使模型的建立更具灵活性,给仿真带来很大方便,从而成功实现了多种情
况下的三级倒立摆一模糊控制的仿真。仿真结果证明一模糊控制器不仅
可以稳定倒立摆系统,还具有定位功能。
关键词倒立摆模糊控制状态变量合成计算机控制
创新性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究
成果。尽我所知,除了文中特别加以注明和致谢中所罗列的内容以外,论文中不
包含其他人己经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或
其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做
的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。
本人签名云日期冠
关于论文使用授权的说明
本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即研究
生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕
业离校后,发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。
学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全
部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文
在解密后遵守此规定
本学位论文属于保密,在年解密后适用本授权书。
本人签名不品芝日期加,乙对
导师签名日期
第二章三级倒立摆系统建模和定性分析
第二章三级倒立摆系统建模和定性分析
分析了倒立摆系统特性,建立了三级倒立摆系统的数学模型,对倒立摆系统
进行定性分析。利用分析力学方法和方程建立了倒立摆系统的微分方程,
并在平衡位置附近线性化,推导出倒立摆系统的线性状态方程。应用自动控制相
关理论分析了倒立摆系统的能控性、能观性及相对能控度,证明倒立摆系统开环
是不稳定的,但在平衡位置是能控的和能观的,同时得出三级倒立摆相对很小的
能控度,说明其控制难度。
三级倒立摆系统特性分析
三级倒立摆系统是典型的机械电子系统。无论哪种类型的倒立摆系统都具有
如下特性
欠冗余性。一般的,倒立摆控制系统采用单电机驱动,因而它与冗余机构,
比如说冗余机器人有较大的不同。之所以采用欠冗余的设计是要在不失系统可靠
性的前提下节约经济成本或者节约有效的空间。研究者常常是希望通过对倒立摆
控制系统的研究获得性能较为突出的新型控制器设计方法,并验证其有效性及控
制性能。
仿射非线性系统。倒立摆控制系统是一种典型的仿射非线性系统,可以应
用微分儿何方法进行分析。
不确定性。主要是指建立系统数学模型时的参数误差、量测噪声以及机械
传动过程中的非线性因素所导致的难以量化的部分。
祸合特性。倒立摆三个摆杆和小车之间,以及三级倒立摆系统的上中下摆
杆之间都是强祸合的。这既是可以采用单电机驱动倒立摆控制系统的原因,也是
使得控制系统的设计、控制器参数调节变得复杂的原因。