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倒立擺系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計-文庫吧在線文庫

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【正文】 .系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2020, 23(11): 4749 [14]. 郭釗俠 ,方建安 ,苗清影 .倒立擺系統(tǒng)及其智能控制研究 .東北大學(xué)學(xué)報 .2020, 29(2):122126 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 32 頁 共 32頁 32 [15]. M Sugeno and G. Kang. Structure identification of fuzzy model. Fuzzy Sets and Systems, 1988, 28(1):1533 [16]. 薛花,紀志成 ,沈艷霞 .倒立擺系統(tǒng)的模糊控制方法 .江南大學(xué)學(xué)報 .202010, 2( 4),348352 [17]. 肖力龍,彭輝 .基于拉格朗日建模的單級倒立擺起擺與穩(wěn)定控制 .控制理論與應(yīng)用 .2020, 26( 4), 48 [18]. 楊亞煒,張明廉 .倒立擺系統(tǒng)的運動模態(tài)分析 .北京航空航天大學(xué)學(xué)報 .20204, 28( 2), 165168 [19]. 張冬軍,叢爽,秦志強 .倒立擺控制系統(tǒng)研究綜述。同時復(fù)習(xí)了 MATLAB 應(yīng)用的一些知識,看到了自己的不足,也學(xué)習(xí)了許多 。通過分析,我們得知,倒立擺系統(tǒng)是不穩(wěn)定的系統(tǒng),必須設(shè)計相應(yīng)的控制器使得系統(tǒng)變成穩(wěn)定系統(tǒng)。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 28 頁 共 32頁 28 統(tǒng)分析 相對于傳統(tǒng) LQR 控制器, Sugeno 模型模糊控制器具有超調(diào)量小好的穩(wěn)定性和快速性等優(yōu)點。 T S 模糊動態(tài)模型的意義局部 地表達了非線性系統(tǒng)的輸入 -輸出關(guān)系 。這種模糊系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,因為它具有許多的優(yōu)點,其中之一就是它提供了一個精確的系統(tǒng)方程,給模糊系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計和穩(wěn)定性分析帶來了很大的方便。 下圖為系統(tǒng)的階躍響應(yīng) ( 為各個變量響應(yīng)圖,圖 為總圖 )。當控制輸入只有一個時, R 為一個標量(一般選 R = 1)。圖中 StateSpace 模塊填入了上面程序計算所得的 A ,B ,C,D 值。0 (2+j*2*sqrt(3)) 0 0。A41 0 0 0] B=[0。g=。 現(xiàn)代控制理論在倒立擺平臺上的應(yīng)用 極點配置法 針對直線單級倒立擺系統(tǒng)應(yīng)用極點配置法設(shè)計控制器,這樣既可以對擺桿位置加以控制,也可以對小車位置加以控制。 long=poly1。 l=。 3) 微分環(huán)節(jié):根據(jù)偏差量的變化趨勢調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制量,在偏差信號發(fā)生較大的變化以前,提前引入一個早期的校正信號,起到加快系統(tǒng)動作速度,減少調(diào)節(jié)時間的作用。 用 u 來代表被控對象的輸入力 F, 線性化后兩個方程如下: ????????????umlxbxmMm lxmgmlI.......2)()(??? 表 一 參數(shù)符號數(shù)值及含義 如果取狀態(tài)變量為 : ??????????????????????????xxxxxxx ??4321 即擺桿的角度和角速度以及小車的位移和速度四個狀態(tài)變量。 課題研究中面臨的問題以及工作重點 1)收集資料,查閱文獻,了解倒立擺控制系統(tǒng)的原理及模型建立方法; 2)了解智能控制(模糊控制)發(fā)展的概況、特點及主要方法; 3)進行基于 TS模糊模型的倒立擺智能控制器設(shè)計; 4)運用 MATLAB 語言進行倒立擺模糊控制系統(tǒng)的仿真研究 ; 5)為了對被控對象有一個充分的認識,文中首先建立了倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型,并在平衡點附近對系統(tǒng)進行了線性化處理,得到了系統(tǒng)的線性化模型;基于此模型,分析系統(tǒng) 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 5 頁 共 32 頁 5 的穩(wěn)定性、能控性和能觀性;闡述了倒立擺系統(tǒng)的運動規(guī)律和各個變量之間的相互關(guān)系 。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法存在的主要問題是:缺乏一種專門適用于控制問 題的動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),而且多層網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、隱層神經(jīng)元的數(shù)量、激發(fā)函數(shù)類型的選擇缺乏指導(dǎo)性原則以及如何進行動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性分析等 。 智能控制為倒立擺系 統(tǒng)提供了簡單有效的處理方法 .采用智能控制中基于特征模型的多模態(tài)控制方式、啟發(fā)式邏輯和知識推理機制來實現(xiàn)非線性處理 .在倒立擺系統(tǒng)中用到的智能控制方法主要有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、云模型控制和擬人智能控制等 。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 2 頁 共 32 頁 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 倒立擺系統(tǒng) 穩(wěn)定與控制的研究在國外始于 60 年代,我國則從 70 年代中期開始研究。 1 南 京 理 工 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 作 者 : 楊鵬 學(xué) 號: 0810190242 學(xué)院 (系 ): 自動化 專 業(yè) : 電氣工程及其自動化 題 目 : 基于 TS 模糊模型的倒立擺 智能控制及仿真研 究 指導(dǎo)者: 評閱者: 2020年 6月 周川 教授 2 畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)中文摘要 倒立擺系統(tǒng)是一個典型的多變量 、非線性、強耦合和 快速運動的自然不穩(wěn)定系統(tǒng),因此倒立擺在研究雙足機器人、火箭發(fā)射過程的姿態(tài)調(diào)整和直升機飛行控制領(lǐng)域中有著重要的現(xiàn)實意義。 由于倒立擺系統(tǒng)的控制策略和雜技運動員頂桿平衡表演的技巧有異曲同工之處,極富趣味性,而且許多抽象的控制理論概念如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性和系統(tǒng)的抗干擾能力等等,都可以通過倒立擺系統(tǒng)實驗直觀的表現(xiàn)出來,因此在歐美發(fā)達國家的高等院校,它已經(jīng)成為必備的控制理論教學(xué)實驗設(shè)備 .學(xué)習(xí)自動控制理論的學(xué)生通過倒立擺系統(tǒng)實驗來驗證所學(xué)的控制理論和算法,非常的直觀、簡便,在輕松的實驗中對所學(xué)的課程加深了理解 。 5) 為防止單級火箭在拐彎時斷裂而誕生的柔性火箭 (多級火箭 ), 其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級倒立擺系統(tǒng)進行研究 .由于倒立擺系統(tǒng)與雙足機器人,火箭飛行控制和各類伺服云臺穩(wěn)定有很大相似性,因此對倒立擺控制機理的研究具有重要的理論和實踐意義 。徐紅兵等提出了基于變結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法,實現(xiàn)了 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 4 頁 共 32 頁 4 二級倒立擺系統(tǒng)的控制。 6) 利用云模型實現(xiàn)智能控制倒立擺 用云模型實現(xiàn)智能 控制倒立擺的定性控制機理,給出定性定量之間轉(zhuǎn)換的云模型的形式化表示,以反映語言值中蘊涵的模糊性和隨機性,依此理論進行智能控制倒立擺的機理探討及不確定性推理方法研究 。 如圖 為單級 倒立擺系統(tǒng)物理模型,有關(guān)倒立擺的參數(shù)符號、數(shù)值及含義如表 1. 擺 桿皮 帶 導(dǎo) 軌皮 帶 輪 圖 單級倒立擺系統(tǒng)物理模型 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 7 頁 共 32 頁 7 采用牛頓動力學(xué)方法可建立單級倒立擺系統(tǒng)的微分方程如下: FmlmlbxxmM ????? ???? s i nc o s)( .... ??? c o ss i n)( ....2 xmlmg lmlI ???? 倒立擺的平衡是使倒立擺的擺桿垂直于水平方向倒立 ,所以假設(shè) ??? ?? , ? 為足夠小的角度 , 即可近似處理得 : 1cos ??? , ?? ??sin , 0)( 2 ?dtd? 。需要注意的是積分作用過強,可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 11 頁 共 32頁 11 g=。 else short=poly2。具有 PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高以及易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點 ,同時具有模糊控制對于倒立擺這種時變、非線性 的的復(fù)雜系統(tǒng)有較好的魯棒性的優(yōu)點。l=。0 0 0 1。 J=[(2j*2*sqrt(3)) 0 0 0。0[],1000,0010[??????DCBA 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 17 頁 共 32頁 17 應(yīng)用 MATLAB 中的 Simulink 設(shè)計用極點配置控制的一級倒立擺系統(tǒng)的仿真模型如下圖所示。 選用 Q 和 R 為對角線矩陣,將 R 值固定,然后改變 Q 的數(shù)值,最優(yōu)控制的確定通常在經(jīng)過仿真或?qū)嶋H比較后得到的。這表明要求輸入能量增大,即提高動態(tài)性能必須以較大的能量消 耗為代價。 TS模糊系統(tǒng)的前提是采用模糊語言值,結(jié)論部分是一個線性或常值型的隸屬度函數(shù)。對于每個模糊子空間,系統(tǒng)的動力學(xué)特性可用一個局部線性狀態(tài)方程來描述,整個系統(tǒng)動力學(xué)特性是這 些局部線性模型的加權(quán)和。 圖 初始狀態(tài)為( 0, )時的擺角 和角速度 由上述兩種不同起始 狀態(tài) 可知,系統(tǒng)在 t= 秒左右就達到穩(wěn)定了啊。 為了進一步了解倒立擺系統(tǒng)的特性,給出了李雅普諾夫穩(wěn)定性定理和判據(jù),并基于倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)方程,用 MATLAB軟件對系統(tǒng)進行定性分析。通過這次課設(shè),我熟悉了倒立擺實際控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)形式和倒立擺控制系統(tǒng)軟件。倒立擺系統(tǒng)及其智能控制研究 .東北大學(xué)學(xué)報 .20203,29(2),122126 [5]. 付瑩,張廣立,楊汝清 . 倒立擺系統(tǒng)的非線性穩(wěn)定控制及起擺問題的研究 上海交通大學(xué)學(xué)報 .20203, 12( 1), 1517. [6]. 馬志濤,侯濤,張紅兵等 .倒立擺系統(tǒng)的 TS 模糊控制研究 .微計算機信息 .2020, 22( 101), 6971 [7]. 張志祥,顏麗莎 .一級倒立擺的模糊控制 .鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 .202012, 19( 4), 1213 [8]. 張乃堯, , 等 .倒立擺的雙閉環(huán)模糊控制 .控制與決策, 1996,11( 1) :8588 [9]. 馬志濤 , 候濤等 .倒立擺系統(tǒng)的 TS 模糊控制研究 . 微計算機信息 ,2020,22(10): 6971 [10]. 黃祖毅 , 李東海 ,姜學(xué)智等 .倒立擺控制的無擾切換 [J].清華大學(xué)學(xué)報 ,2020, 44(2):266269 [11]. Ying H. Sufficient conditions on uniform approximation of multivariate function by general TakagiSugeno fuzzy systems with linear rule consequent. IEEE Trans on Sys Maamp。 在畢業(yè)設(shè)計過程中還得到了諸多同學(xué)的幫助,在此表示衷心地感謝。討論分析了參數(shù)對系統(tǒng)控制的影響,得出了分析結(jié)果完全與理論 相符的結(jié)論。 3) 超調(diào)量 模糊控制作用下,系統(tǒng)超調(diào)量都在 1 /1000 之內(nèi), LQR 超調(diào)量在 1 /100 之內(nèi).模糊控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯高。 ???????? 176 , ???????? 079 . 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 26 頁 共 32頁 26 3) 模糊控制輸出 采用 Sugeno 型模糊推理的優(yōu)點在于其輸出的精確量,因此采用線性隸屬度函數(shù)作為輸出,針對“ Big” ,“ Middle ” ,“ Small” 3 種情況的隸屬度參數(shù)分別為[ 26, 19,- 74,- 14, ],[ 28, 21,- 75,- 15, ],[ 30, 24,- 76,-18, ] . 仿真及系統(tǒng)分析 本文采用 MATLAB 軟件中的模糊推理系統(tǒng) FIS( Fuzzy Interference System) 來設(shè)計前述各模糊推理。 T S模糊模型將一個整體非線性的動力學(xué)模型分解為許多個局部. TS 模糊系統(tǒng) TS 模糊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本框圖如 : 本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第 24 頁 共 32頁 24 圖 TS 模糊系統(tǒng)基本
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