二级倒立摆系统的模糊控制研究

论文摘要

倒立摆系统是一个典型快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统。研究其控制理论和方法,对于双足机器人行走、火箭发射过程调整和直升机飞行控制领域有重要的现实意义。本文以二级倒立摆为研究对象,采用了多种模糊控制方法来解决常规模糊控制器控制性能与规则数之间的矛盾,以期实现对二级倒立摆的有效控制。论文首先简要论述了模糊控制发展概况与趋势,综述了倒立摆控制发展历程和研究现状；介绍了倒立摆系统的结构及工作原理,基于分析力学建立了二级倒立摆的非线性模型,并对其在工作点处进行线性化；对其线性化模型的稳定性等进行了分析。其次,对线性二次型最优控制、模糊控制以及它们之间的互相结合作了较为系统的论述,研究了多种模糊控制方法。基于融合函数的模糊控制策略结合线性系统理论中的状态反馈控制方法和融合技术,通过设计融合函数降低模糊控制器的输入变量维数,较好地解决了规则爆炸问题；基于T-S模型的逐级模糊控制策略结合T-S模糊推理模型和逐级控制思想,选取有效模糊规则,简化多输入情况下的模糊控制器设计。最后,通过编写S函数对二级倒立摆系统建立了非线性模型。在Matlab/Simulink环境下对二级倒立摆进行了一定的仿真研究工作,分析比较了各种方法的控制效果。结果表明,本文所给出的几种模糊控制策略较好地解决了规则爆炸问题及简化了控制器的设计,取得了较好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 模糊控制的研究概况
• 1.2.1 模糊控制的产生
• 1.2.2 模糊控制的研究现状与发展趋势
• 1.3 倒立摆控制系统研究概况
• 1.3.1 倒立摆控制系统的产生
• 1.3.2 倒立摆控制系统的研究现状与发展趋势
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 倒立摆系统建模与现代控制策略分析
• 2.1 二级倒立摆系统的结构及工作原理
• 2.2 二级倒立摆系统的数学建模
• 2.2.1 倒立摆系统建模假设
• 2.2.2 符号说明
• 2.2.3 系统建模
• 2.3 二级倒立摆系统的运动模态
• 2.4 二级倒立摆非线性模型的线性化
• 2.5 二级倒立摆系统的性能分析
• 2.6 二级倒立摆系统的最优状态反馈控制
• 2.7 基于线性化模型的仿真
• 2.8 本章小结
• 第3章 模糊控制方法研究
• 3.1 模糊控制理论简介
• 3.1.1 模糊控制的特点
• 3.1.2 模糊控制器的工作原理
• 3.2 模糊融合技术与融合函数
• 3.2.1 融合技术
• 3.2.2 融合函数的设计
• 3.3 模糊控制器的设计
• 3.3.1 论域及基本论域
• 3.3.2 隶属度函数和模糊规则
• 3.3.3 去模糊化
• 3.3.4 量化因子与比例因子
• 3.4 基于T-S模型的模糊控制
• 3.4.1 T-S模糊模型结构
• 3.4.2 T-S模型的特点
• 3.4.3 T-S模糊控制器的设计
• 3.4.4 T-S模糊控制器的设计改进
• 3.5 本章小结
• 第4章 二级倒立摆控制系统的仿真研究
• 4.1 二级倒立摆系统的非线性仿真模型
• 4.2 最优状态反馈控制仿真
• 4.2.1 仿真结果
• 4.2.2 参数选择分析
• 4.3 基于信息融合的模糊控制仿真
• 4.4 基于T-S模型的模糊控制仿真
• 4.4.1 常规T-S模糊控制仿真结果
• 4.4.2 逐级T-S模糊控制仿真结果
• 4.5 二级倒立摆控制的仿真结果分析
• 4.5.1 仿真结果对比分析
• 4.5.2 算法对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢