小车三级摆系统模型参数精确辨识及其摆起倒立控制器的设计与参数整定

论文摘要

小车多级摆系统是一类典型非线性欠驱动复杂系统,对倒立摆的研究可归结为对非线性、多变量、欠驱动、绝对不稳定系统的研究。各种非线性控制理论的形成与发展,往往以小车倒立摆系统作为实践的检验平台,以验证理论的正确性、有效性和在实时控制中的应用问题;从日常生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题,到空间飞行器和各类伺服云台的稳定,都和倒立摆的控制有很大的相似性,因而对倒立摆的研究不仅具有重要的理论意义,而且具有重要的实践意义。多级摆系统的运动控制是控制领域的经典难题,相应的实时控制成果在国内外都还很少。李祖枢教授等人采用其独创的基于动觉智能图式的仿人智能控制理论应用于多级摆系统的控制,成功实现了二级倒立摆的摆起倒立控制以及其各平衡态之间的切换控制;甚至实现了小车三级摆的摆起倒立仿真控制,然而实时控制难以实现,从仿真往实时控制过渡时遇到了巨大的障碍,首先存在仿真模型和实际系统差异大以及摆起倒立控制仿人智能控制器参数整定困难的问题,由拉格朗日方法导出小车三级摆系统动力学模型后,通常采用直接测量与传统辨识计算的方法确定模型参数,由此计算获得的动力学响应和系统的实测响应就存在很大差异;同时,能成功实现小车三级摆摆起倒立控制的仿人智能控制器具有多模态、多控制器结构,涉及众多参数,参数整定与优化十分困难。针对上述两个问题,本文采用进化的思想将仿人智能控制理论和遗传算法的研究成果相结合,引入改进的遗传算法,针对模型参数辨识和仿人智能控制器参数整定,分别设计了适应度函数,数值仿真实验表明可以实现小车三级摆系统动力学模型参数的精确辨识;同时可以获得满足多控制目标要求的多组有效的或优化的摆起倒立仿人智能控制器参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 自动控制理论发展简史
• 1.1.2 智能控制理论简介
• 1.1.3 倒立摆控制系统的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 倒立摆的稳摆控制
• 1.2.2 倒立摆的摆起倒立控制
• 1.2.3 倒立摆系统的控制方法
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.4 论文的结构
• 1.5 本章小结
• 2 系统辨识与遗传算法
• 2.1 系统辨识
• 2.1.1 系统辨识的定义
• 2.1.2 系统辨识中常用的误差准则
• 2.1.3 系统辨识的步骤
• 2.2 遗传算法
• 2.2.1 遗传算法的生物学基础
• 2.2.2 遗传算法的发展成熟
• 2.2.3 遗传算法求解问题的基本思想及特点
• 2.3 改进的遗传算法
• 2.4 本章小结
• 3 小车三级摆系统模型参数精确辨识
• 3.1 小车三级摆系统动力学模型的建立
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.2 小车三级摆系统模型参数精确辨识
• 3.2.1 将辨识的动力学参数编码为一个染色体
• 3.2.2 小车三级摆系统模型参数的精确辨识
• 3.3 本章小结
• 4 小车三级摆的摆起倒立控制器设计及参数整定
• 4.1 基于动觉智能图式的仿人智能控制理论
• 4.1.1 感知图式及其结构描述
• 4.1.2 运动图式及其结构描述
• 4.1.3 关联图式及其结构描述
• 4.1.4 动觉智能图式（SMIS）的结构及其描述
• 4.2 基于动觉智能图式的仿人智能控制器设计
• 4.2.1 基本思想、设计原则
• 4.2.2 设计步骤
• 4.2.3 控制器结构
• 4.3 小车三级摆的摆起倒立控制器设计
• 4.3.1 摆起倒立控制模态划分
• 4.3.2 摆起倒立控制动觉智能图式设计
• 4.3.3 摆起倒立控制Matlab 仿真模型
• 4.4 摆起倒立控制器参数整定
• 4.4.1 参数编码及参数范围的选定
• 4.4.2 适应度函数的选取
• 4.4.3 参数优化结果
• 4.5 小车三级摆的摆起倒立实时控制研究
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录