應(yīng)用模糊控制技術(shù)的二級倒立擺控制器設(shè)計(jì)開題報(bào)告

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1、開題報(bào)告應(yīng)用模糊控制技術(shù)的二級倒立擺控制器設(shè)計(jì)一、選題的背景、意義二級倒立擺是典型的高階非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，很多年來國內(nèi)外不少專家學(xué)者對二級倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了大量得研究。早期的二級倒立擺控制律大多采用狀態(tài)反饋方式，比如Furuta（1978）等和Zu-ren（1984）等用模擬的狀態(tài)空間線性控制器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制。Zu-ren（1987）等用數(shù)字控制器對上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了改造，并且獲得了更好的控制效果；Furuta（1978）等用調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了傾斜軌道上的二級倒立擺穩(wěn)定控制，也取得了比較好的效果。近幾年，隨著模糊控制理論的不斷發(fā)展，越來越多的專家學(xué)者開始將模糊控制算法用于控制二級倒立

2、擺，例如參變量模糊控制[程福雁,鐘國民,李友善.二級倒立擺的參變量模糊控制.《信息與控制》,1995,24(3):189-192]，神經(jīng)模糊控制[ChrisMessonandSngHongLian,ANovel3D(error,derrordderror)NeurofuzzyControlArchitecture,1997,IEEEInternationalConferenceonIntelligentProcessingSystems,1997,10(5):104-109]，基于Lyappunov穩(wěn)定性定理的連續(xù)時(shí)間模糊控制[S.G.Cao,N.W.ReesandG.Feng.L

3、yapunov-LikeStabilityTheoremsforContinous-timeFuzzyControlSystems,INT.J.Control,1998,69(1):49-64]等等。但是，二級倒立擺是多變量系統(tǒng)，而且控制目標(biāo)較多，如小車的位移，下擺的轉(zhuǎn)角和上擺的轉(zhuǎn)角，使使用模糊控制存在一定的難度，因?yàn)榻?jīng)典的模糊控制一般都是用系統(tǒng)的誤差，誤差的導(dǎo)數(shù)作為輸入來建立二級倒立擺模糊控制算法有一定的難度。二級倒立擺的模糊控制大都是用幾個(gè)模糊控制器來實(shí)現(xiàn)的，如文獻(xiàn)[3]提出了一種新的控制二級倒立擺的方法,使用三個(gè)相互級聯(lián)的模糊控制器分別控制小車的位移,下擺的轉(zhuǎn)角和上擺的轉(zhuǎn)角,

4、每個(gè)控制器由誤差,誤差的導(dǎo)數(shù),誤差變化加速度作為輸入，但是該模糊控制算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)控制器控制規(guī)則較多，實(shí)現(xiàn)較困難。雖然這種算法較易理解，但控制器較多，可調(diào)參數(shù)較多，可調(diào)參數(shù)選擇、尋優(yōu)都比較困難。因此，尋求一種適用于控制二級倒立擺的結(jié)構(gòu)簡單品質(zhì)良好的模糊控制器是十分有必要的。研究倒立擺系統(tǒng)除了很強(qiáng)的理論意義，同時(shí)也具有深遠(yuǎn)的實(shí)踐意義。許多抽象的控制概念如穩(wěn)定性、能控性、快速性和魯棒性，都可以通過倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來。同時(shí)其動(dòng)態(tài)過程與人類的行走姿態(tài)類似，其平衡與火箭的發(fā)射姿態(tài)調(diào)整類似，因此倒立擺在研究雙足機(jī)器人直立行走、火箭發(fā)射過程的姿態(tài)調(diào)整和直升機(jī)飛行控制領(lǐng)域中有重要的現(xiàn)實(shí)意

5、義，相關(guān)的科研成果己經(jīng)應(yīng)用到航天科技和機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域。二、相關(guān)研究的最新成果及動(dòng)態(tài)近幾十年來，航天航空航海和工業(yè)過程等領(lǐng)域的研究發(fā)展不斷的向控制理論提出一系列挑戰(zhàn)性問題。對于這些問題的研究和探索強(qiáng)有力的推動(dòng)著控制理論的飛快發(fā)展。自控制理論的發(fā)展己經(jīng)歷經(jīng)幾個(gè)階段:第一階段是經(jīng)典控制理論，用來解決單輸入單輸出系統(tǒng)的分析和綜合問題。第二階段是現(xiàn)代控制理論，用來解決多輸入多輸出系統(tǒng)的分析和綜合問題。第三階段是大系統(tǒng)理論和智能控制理論等一些新的理論，用來解決多層次分散結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)的分析和綜合問題。經(jīng)典控制理論有很大的局限性，它不僅只限于單輸入單輸出系統(tǒng)，而且只限于線性定常系統(tǒng)，但實(shí)際上

6、常會(huì)遇到有相互關(guān)聯(lián)的多變量系統(tǒng)和非線性的時(shí)變的系統(tǒng)。到了50年代后期，現(xiàn)代控制理論逐漸形成，它以狀態(tài)空間方程為基礎(chǔ)，分析和解決多變量問題。同時(shí)隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在科學(xué)計(jì)算方面的迅速發(fā)展，極大的推動(dòng)著控制理論的發(fā)展，它使得現(xiàn)代控制理論也得到了極大的應(yīng)用。隨著人們對更復(fù)雜更大系統(tǒng)的研究和和探索，控制理論進(jìn)入了更高階段，出現(xiàn)了大系統(tǒng)理論和智能控制理論等高級控制理論[萬百五.大系統(tǒng)智能控制的進(jìn)展.《控制理論與應(yīng)用》,1994,22(1):113-122]。這些控制理論的迅猛發(fā)展，為控制倒立擺系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)人們發(fā)現(xiàn)倒立擺是檢驗(yàn)控制理論的一種較好的系統(tǒng)。這使倒立擺成了科學(xué)界檢驗(yàn)

7、控制能力的一種標(biāo)準(zhǔn)模型。在70年代，人們就將倒立擺的控制問題作為現(xiàn)代控制理論應(yīng)用的典型試驗(yàn)進(jìn)行研究。1972年Stugne等人采用線性控制模擬電路實(shí)現(xiàn)了二級倒立擺的控制，其線性狀態(tài)反饋采用極點(diǎn)配置的方法獲得，并采用全維狀態(tài)觀測器來重構(gòu)了狀態(tài)。1974年英國教授馬丹尼(E.H.Mamdani)首先將模糊集合理論應(yīng)用于加熱器的控制，其后產(chǎn)生了應(yīng)用的例子。其中比較典型的有:熱交換過程的控制，飛船飛行控制，機(jī)器人控制，模型小車的?？亢娃D(zhuǎn)彎控制，電梯控制，并且生產(chǎn)出了專用的模糊