基于遗传算法—模糊技术的球杆系统控制方法研究

论文摘要

固高科技有限公司提供的GBB1004球杆系统是控制理论研究中最为著名的实验设备之一。许多经典的和现代的控制方法都可以在球杆系统中得到验证。本文对球杆系统进行了基于遗传算法-模糊技术的控制方法研究,并得到了理想的试验效果。主要工作如下：首先,简要介绍了球杆系统的特性、组成及工作原理等,并在此基础上建立了球杆系统的数学模型。其次,对球杆系统设计了工业中最常用的PID控制器并进行了仿真。由于PID控制本身存在一些不足：面对一些非线性、不确定性系统,它的控制效果远不能满足人们对控制品质的要求；并且PID控制参数不具备在线自调整的功能。本文针对上述不足,引入模糊控制来实现对PID参数的在线调整,即对球杆系统设计了模糊PID控制器并进行了仿真。仿真结果表明,模糊PID控制器的动态性能比PID控制器有了很大的提高。然后,由于在模糊控制器的设计中,模糊规则的获取和控制器参数的调整都没有系统的方法,主要依靠控制专家的经验和设计者的反复试验得到。随着系统复杂度的提高,直观经验越来越难以获得,而且往往表达不准确,很难直接利用。本文针对上述问题在模糊PID控制器的基础上引入了遗传算法,分别利用基本遗传算法和自适应遗传算法对模糊PID控制器的量化因子和比例因子进行了优化和仿真。仿真结果表明,基于自适应遗传算法的模糊PID控制器比基于基本遗传算法的模糊PID控制器的动态性能和稳态性能都有了一定的提高。再后,构建了球杆系统实验平台,对PID控制器、模糊PID控制器进行了实际调试,并且验证了仿真的结论。最后,对本文所做的工作进行了总结,并提出展望,指出有待进一步研究的具体问题和研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 模糊控制理论的进展及应用领域
• 1.2.1 模糊控制理论的进展概况
• 1.2.2 模糊控制的应用领域
• 1.3 遗传算法的发展及应用
• 1.3.1 遗传算法的发展
• 1.3.2 遗传算法的应用
• 1.4 球杆系统的研究现状
• 1.5 本文主要的研究工作
• 第2章 球杆系统的数学模型
• 2.1 球杆系统实验平台简介
• 2.1.1 球杆系统的特点
• 2.1.2 球杆系统实验平台的组成
• 2.1.3 球杆系统的控制结构
• 2.2 球杆系统的数学模型
• 2.2.1 拉格朗日方程介绍
• 2.2.2 球杆系统机械部分的数学模型
• 2.2.3 直流伺服电机的数学模型
• 2.2.4 球杆系统数学模型的状态方程形式
• 2.3 本章小结
• 第3章 球杆系统模糊PID控制器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 球杆系统PID控制器的设计
• 3.2.1 PID控制原理
• 3.2.2 球杆系统PID控制器的设计
• 3.3 球杆系统模糊PID控制器的设计
• 3.3.1 模糊控制原理
• 3.3.2 模糊PID控制原理
• 3.3.3 球杆系统模糊PID控制器的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 球杆系统基于遗传算法的模糊PID控制器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 遗传算法的基本理论
• 4.2.1 遗传算法的基本原理与流程
• 4.2.2 遗传算法的设计与实现
• 4.3 球杆系统基于基本遗传算法的模糊PID控制器的设计
• 4.4 球杆系统基于自适应遗传算法的模糊PID控制器的设计
• 4.4.1 自适应遗传算法的基本理论
• 4.4.2 球杆系统基于自适应遗传算法的模糊PID控制器的设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 球杆系统的实际调试
• 5.1 球杆系统的控制程序界面简介
• 5.2 球杆系统PID控制器的实际调试
• 5.3 球杆系统模糊PID控制器的实际调试
• 5.4 本章总结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢