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正文內(nèi)容

單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及matlab中的仿真(編輯修改稿)

2025-08-03 13:10 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 線性化求出傳遞函數(shù)。最后,在要求系統(tǒng)的特征方程應(yīng)有全部左半平面的根的條件下,設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)控制器。PID 控制具有原理簡單、直觀易懂、魯棒性強(qiáng)、易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。 狀態(tài)反饋控制極點(diǎn)配置法是在動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性都滿足的條件下,將多變量閉環(huán)倒立擺系統(tǒng)極點(diǎn)配置在期望的位置上,來設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器。 模糊控制被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、過程輸入輸出通道、檢測裝置和模糊控制器五部分組成模糊控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,只需要掌握現(xiàn)場操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)或操作數(shù)據(jù)。運(yùn)用模糊集理論進(jìn)行的模糊計(jì)算的模糊控制方法得到的控制規(guī)律是定量的、確定性的條件語句。與傳統(tǒng)控制方法不同的是模糊控制更接近于人的思維方法和推理習(xí)慣,更便于現(xiàn)場操作人員的理解和使用。因?yàn)槟:刂葡到y(tǒng)的魯棒性強(qiáng),因此更適用于非線性、時(shí)變、大延遲的系統(tǒng)控制[4] . 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是(人工)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物。它匯集了包括數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、腦科學(xué)、遺傳學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制等學(xué)科的理論、技術(shù)、方法及研究成果,由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的信息分布式存貯、大規(guī)模自適應(yīng)并行處理和高度的容錯(cuò)性的特點(diǎn),使其在倒立擺上得到廣泛應(yīng)用。 魯棒控制的研究始于20世紀(jì)50年代,是一種解決非線性、復(fù)雜性和不確定性的工具,發(fā)展方向是面向那些不確定因素變化范圍大和穩(wěn)定裕度小的對(duì)象[5,6]。但是,魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要由高級(jí)專家完成。一旦設(shè)計(jì)成功,就不需太多的人工干預(yù)。另一方面,如果要升級(jí)或作重大調(diào)整,系統(tǒng)就要重新設(shè)計(jì)。 仿人智能控制的基本思想是通過對(duì)人運(yùn)動(dòng)控制的宏觀結(jié)構(gòu)和手動(dòng)控制行為的綜合模仿,把人在控制中的“動(dòng)覺智能”模型化,提出了仿人智能控制方法。研究結(jié)果表明,仿人智能控制方法解決復(fù)雜、強(qiáng)非線性系統(tǒng)的控制具有很強(qiáng)的實(shí)用性。云模型控制利用云模型實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺的控制,用云模型構(gòu)成語言值,用語言值構(gòu)成規(guī)則,形成一種定性的推理機(jī)制。這種擬人控制不要求給出被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,僅僅依據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)、感受和邏輯判斷,將人用自然語言表達(dá)的控制經(jīng)驗(yàn),通過語言原子和云模型轉(zhuǎn)換到語言控制規(guī)則器中,就能解決非線性問題和不確定性問題。 2 倒立擺的建模 本章研究倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)。 系統(tǒng)建??梢苑譃閮煞N:機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。實(shí)驗(yàn)建模就是通過在研究對(duì)象上加上一系列的研究者事先確定的輸入信號(hào),激勵(lì)研究對(duì)象并通過傳感器檢測其可觀測的輸出,應(yīng)用數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)的輸入和輸出之間的關(guān)系。機(jī)理建模就是在了解研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上,通過物理、化學(xué)的知識(shí)和數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)內(nèi)部的輸入一狀態(tài)關(guān)系。對(duì)于倒立擺系統(tǒng),由于其本身是自不穩(wěn)定的系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)建模存在一定的困難。但是經(jīng)過小心的假設(shè)忽略掉一些次要的因素后,倒立擺系統(tǒng)就是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)的剛體系統(tǒng)[7],可以在慣性坐標(biāo)系內(nèi)應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)理論建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。下面我們采用其中的牛頓一歐拉方法建立直線型一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在忽略了空氣阻力,各種摩擦之后,可以將直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng),如圖2—1所示。各參數(shù)符號(hào)含義如下:b小車摩擦系數(shù) 單位:N/m/sec F加在小車上的力 單位:N1擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長度 單位:mM小車質(zhì)量 單位:Kg ; m擺桿質(zhì)量 單位:kgI擺桿慣量 單位:kgψ擺桿與垂直向上方向的央角(ψ=θΠ) 單位:radθ擺桿與垂直向下方向的央角(考慮到擺桿初始位置為豎直向下) 單位:rad圖2—2是系統(tǒng)中小車和擺桿的受力分析圖。其中,N和助小車與擺
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