單級倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計及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、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點。 狀態(tài)反饋控制極點配置法是在動態(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)極點配置在期望的位置上,來設(shè)計狀態(tài)反饋控制器。 模糊控制被控對象、執(zhí)行機構(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)計模糊控制器時不需要建立被控對象的數(shù)學模型,只需要掌握現(xiàn)場操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗、知識或操作數(shù)據(jù)。運用模糊集理論進行的模糊計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慣,更便于現(xiàn)場操作人員的理解和使用。因為模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強,因此更適用于非線性、時變、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、生物學、神經(jīng)生理學、腦科學、遺傳學、人工智能、計算機科學、自動控制等學科的理論、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性的特點,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50年代，是一種解決非線性、復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)定裕度小的對象[5，6]。但是，魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計要由高級專家完成。一旦設(shè)計成功，就不需太多的人工干預(yù)。另一方面，如果要升級或作重大調(diào)整，系統(tǒng)就要重新設(shè)計。 仿人智能控制的基本思想是通過對人運動控制的宏觀結(jié)構(gòu)和手動控制行為的綜合模仿，把人在控制中的“動覺智能”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雜、強非線性系統(tǒng)的控制具有很強的實用性。云模型控制利用云模型實現(xiàn)對倒立擺的控制，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制。這種擬人控制不要求給出被控對象精確的數(shù)學模型，僅僅依據(jù)人的經(jīng)驗、感受和邏輯判斷，將人用自然語言表達的控制經(jīng)驗，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)學模型推導。 系統(tǒng)建?？梢苑譃閮煞N：機理建模和實驗建模。實驗建模就是通過在研究對象上加上一系列的研究者事先確定的輸入信號，激勵研究對象并通過傳感器檢測其可觀測的輸出，應(yīng)用數(shù)學手段建立起系統(tǒng)的輸入和輸出之間的關(guān)系。機理建模就是在了解研究對象的運動規(guī)律基礎(chǔ)上，通過物理、化學的知識和數(shù)學手段建立起系統(tǒng)內(nèi)部的輸入一狀態(tài)關(guān)系。對于倒立擺系統(tǒng)，由于其本身是自不穩(wěn)定的系統(tǒng)，實驗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)就是一個典型的運動的剛體系統(tǒng)[7]，可以在慣性坐標系內(nèi)應(yīng)用經(jīng)典力學理論建立系統(tǒng)的動力學方程。下面我們采用其中的牛頓一歐拉方法建立直線型一級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學模型。在忽略了空氣阻力，各種摩擦之后，可以將直線一級倒立擺系統(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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