單級倒立擺系統(tǒng)中模糊控制理論的應用(編輯修改稿)
2024-07-24 13:08 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 法則是屬于智能控制的范疇，并且它己經(jīng)成為當今智能控制領(lǐng)域當中的一種重要并且行之有效的控制形式[17,18]。模糊控制系統(tǒng)的組成[14]：模糊控制方法屬于計算機數(shù)字控制方法的一種，因此，模糊控制系統(tǒng)的主要組成部分類似于一般數(shù)控系統(tǒng)，其框圖如圖31所示。模糊控制器（微處理機）執(zhí)行機構(gòu)被控對象傳感器給定值+圖31 模糊控制系統(tǒng)框圖(1)模糊控制器：這是整個模糊控制系統(tǒng)中最核心的部分，它所采用的是基于模糊控制知識以及模糊規(guī)則推理的語言型的“模糊控制器”，這個特點也就是模糊控制系統(tǒng)跟別控制系統(tǒng)最大的區(qū)別所在。(2)輸入／輸出接口：在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器經(jīng)由輸入／輸出接口從而獲取被控對象的數(shù)字信號量，并把模糊控制器發(fā)出的數(shù)字決策信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，最后送給被控對象。在I／O接口裝置中，除我們所熟知的A／D，D／A轉(zhuǎn)換外，還必須包括電平轉(zhuǎn)換倒立擺系統(tǒng)模糊控制算法研究電路。(3)執(zhí)行機構(gòu)等：包括交、伺服電機，步進電機，直流電機，氣動調(diào)節(jié)閥以及液壓電動機、液壓閥等。(4)被控對象：這些被控對象可以是確定的也可以是者模糊的、可以是單變量的也可以是多變量的、可以是有滯后的也可以是無滯后的，可以是線性的也可以是非線性的，可以是定常的也可以是者時變的，并且可能具有強耦合以及強干擾等各種情況。對于那些難以通過常規(guī)方法建立起精確的數(shù)學模型的復雜被控對象，往往更加適合采用模糊控制方法進行控制。(5)傳感器：傳感器就是將被那些控對象或者控制過程當中的各種被控量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。由于被控制量往往都是非電信號，比如：溫度、流量、壓力、濃度、濕度、速度、位移、加速度等等。傳感器在整個模糊控制系統(tǒng)中有著十分重要的地位，傳感器的精確程度往往直接影響到整個控制系統(tǒng)的精確程度，因此，我們在傳感器的選型時，應該選擇那些精確度高并且穩(wěn)定性好的傳感器。 模糊控制器的設計方法模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器(Fuzzy Controller)，其組成見圖32。規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫知識庫推理機模糊化接口解模糊接口清晰量輸入量模糊量清晰量輸出量圖32 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖模糊控制器一般是可以靠軟件編程來實現(xiàn)的，實現(xiàn)模糊控制的一般步驟如下[14]：(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；(2)設計模糊控制器的控制規(guī)則；(3)進行模糊化和去模糊化；(4)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域，并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子)；(5)編制模糊控制算法的應用程序；(6)合理選擇模糊控制算法的采樣時間； 模糊控制方法簡介倒立擺系統(tǒng)是一個復雜的、非線性的、不穩(wěn)定的高階系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng)的控制一直以來都是控制理論及應用的典型。我們在對倒立擺這類的多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)的模糊控制方法進行時，通常會遇到的一個最大的難題就是規(guī)則爆炸的問題，比如說一個單級倒立擺系統(tǒng)的控制往往涉及到的狀態(tài)變量有4個，其中每個狀態(tài)變量的論域作7個模糊集的模糊劃分，那么這樣的話，一個完備的推理規(guī)則庫就會包含共有=2401個推理規(guī)則；對于二級倒立擺系統(tǒng)就會有6個狀態(tài)變量，那么推理規(guī)則將會達到=11 7649個，很明顯如此眾多的規(guī)則是根本不可能實現(xiàn)的。為了解決這個規(guī)則爆炸問題，張乃堯等人提出了雙閉環(huán)模糊控制方案的倒立擺控制方法，即內(nèi)環(huán)用于控制倒立擺的角度，外環(huán)用于控制倒立擺的位移[19]。后來范醒哲等人將這種控制方法推廣到了三級倒立擺控當中，并且提出了兩種模糊控制串級控制的方案，用以解決像倒立擺這類多變量，非線性，強耦合的系統(tǒng)模糊控制時出現(xiàn)的規(guī)則爆炸問題。Shuliang Lei和Reza Langari采用了分級的思想，將，，這4個狀態(tài)變量分成了兩個子系統(tǒng)，分別用了兩個模糊控制器進行控制，然后再通過設計一個更上層模糊控制器用來協(xié)調(diào)這兩個子系統(tǒng)之間的相互作用[20]。本文則采用一個主模糊控制器的基礎(chǔ)上，再配上一個監(jiān)督控制器進行相互協(xié)調(diào)控制。從概念上講，至少由兩種不同的方法確保模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第一種方法是為模糊控制器選擇特殊的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使帶有模糊控制器的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定；第二種方法是設計模糊控制器時先不考慮穩(wěn)定性，而是將另一個非模糊控制器添加到模糊控制器上以滿足穩(wěn)定性需要。第二種方法中模糊控制器的設計有很大的自由度和靈活性，所以用此方法設計的模糊控制器系統(tǒng)可獲得更好的性能。第二種方法的關(guān)鍵是設計添加的第二層非模糊控制器，使穩(wěn)定性得到保證。模糊控制器執(zhí)行主要控制操作，是主控制器，第二層控制器執(zhí)行監(jiān)督功能，如果模糊控制器運行良好，則第二層控制器停止工作；如果模糊控制器系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，則第二層控制器開始工作，以確保穩(wěn)定性。第二層控制器被稱為監(jiān)督控制器?！∧：刂葡到y(tǒng)設計設二維模糊控制系統(tǒng)集合上的一個函數(shù)，其解析式形式未知。假設對任意一個，則可實際一個模糊系統(tǒng)。模糊系統(tǒng)的這幾步驟為步驟一 ：在上定義個標準的，一直的和完備的模糊集。步驟二 ：組建條模糊集IFTHEN規(guī)則，滴i1i2 條規(guī)則表示為：IF is and is ，THEN is 其中， =1，2，…， =1，2，…，講模糊集的中心(用表示)選擇為 （31）步驟三 ：采用乘積推理機、單值模糊器和中心平均模糊器，根據(jù)條規(guī)則來構(gòu)造模糊系統(tǒng)，具體的表示如下[16]： （32） 模糊監(jiān)督控制器設計考慮如下非線性系統(tǒng)： （33）其中，是系統(tǒng)輸出，為控制輸入，是系統(tǒng)狀態(tài)向量，f和g為未知非線性函數(shù)，并假設g0。在系統(tǒng)（33）中假設的上界和的下界已知，即存在可確定函數(shù)和，使得，0。主模糊控制器設計為 （34）為了確保閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要設計一個控制器，且要求帶有此控制器的閉環(huán)系統(tǒng)是全局穩(wěn)定的。在
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