基于三维空间吊车系统的神经模糊滑模控制

论文摘要

本文以模糊滑模控制和神经模糊控制理论为基础,将二者结合,取其优点,避其不足,构建具有鲁棒性能佳,自适应能力强的神经模糊滑模控制器,并以三维空间吊车（3D Crane System）为实验平台作为控制对象,实现对三维空间吊车的准确,快速定位及防摆控制。三维空间吊车是一个空间一级顺摆倒立摆系统,它具有以典型的非线性,欠驱动,高阶层次,强耦合的复杂系统,它的研究意义在于不仅解决了实践生产中的问题,并且是一类非线性欠驱动控制系统的代表,对它的研究也可以应用到很多领域,例如：航天技术,交通运输,工业生产以及人们的日常生活中,它具有很好的发展前景。本文,首先介绍了三维空间吊车的研究意义及目的,并从传统的PID控制方法到现代的智能控制方法,分析了三维空间吊车目前的研究状况。其次,简单的介绍了三维空间吊车的基本结构,采用拉格朗日方法对系统进行建模,并通过固定参数,将吊绳的长度设定为一个常值,对其模型进行简化,最后发现它与一级倒立摆的模型是相同的,再根据能控能观性定理,对其给予分析,证明了此系统它是能控能观的。再次,我们分别介绍了模糊控制,滑模变结构控制以及神经网络的基本理论,并分析它们的优缺点,以及结合在一起的优势,并设计出神经模糊滑模控制器,通过仿真,说明这种控制方法是有效的,并与PID控制仿真效果对比分析,再次证明所设计的神经模糊控制器具有较好的控制效果。最后,在VC++6.0环境下开发了实时控制程序,对三维空间吊车的实验模型进行实物控制,再次证明了所设计的神经模糊滑模控制器是可行的,并且具有良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 三维空间吊车系统研究的现状
• 1.2.1 传统控制理论
• 1.2.2 智能控制理论
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 空间三维吊车的数学建模
• 2.2 空间三维吊车的退化模型
• 2.2.1 固定绳长的空间三维吊车模型
• 2.2.2 退化到直线导轨上的二维吊车模型
• 2.2.3 退化到固定绳长的直线导轨上的二维吊车模型
• 2.3 空间三维吊车的能控性分析
• 2.4 本章小结
• 3 三维空间吊车系统的控制理论介绍
• 3.1 模糊控制器的理论基础
• 3.1.1 模糊控制器的基本思想
• 3.1.2 模糊控制器的组成
• 3.2 滑模控制器的理论基础
• 3.2.1 滑动模态的定义及表达式
• 3.2.2 滑模变结构控制的定义
• 3.2.3 滑模控制器设计基本方法
• 3.3 神经网络控制
• 3.3.1 神经网络理论基础
• 3.3.2 神经网络控制的基本原理
• 3.4 神经模糊滑模控制
• 3.4.1 模糊滑模控制
• 3.4.2 神经模糊控制
• 4 三维空间吊车系统控制的仿真实现
• 4.1 仿真模型建立
• 4.2 控制器设计
• 4.2.1 PID控制器设计
• 4.2.2 神经模糊滑模控制器设计
• 4.3 仿真结果的对比与分析
• 4.4 实物控制
• 4.4.1 三维空间吊车硬件基本介绍
• 4.4.2 控制效果分析
• 结论
• 参考文献
• 附录A 三维空间吊车系统的物理参数
• 附录B 三维空间吊车系统能控能观性
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢