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基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计

分类号:TP273.4 密 级:公 开U D C:D10621-408-(2008) 1615-0 编 号:2004024016成 都 信 息 工 程 学 院 学 位 论 文基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计论文作者姓名: 申请学位专业: 申请学位类别: 指导教师姓名 (职称) : 论文提交日期:王飞自动化 工学学士 张秀芳(讲师) 2008 年 06 月 02 日

基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计

基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计 摘 要倒立摆是一个典型的快速、多变量、非线性、本质不稳定系统,对倒立摆系统的研究 在理论上和方法上具有深远的意义。

对倒立摆的研究可以归结为对非线性、多变量、不稳 定系统的研究。

本文首先叙述了对倒立摆系统稳定性研究的意义,概述了倒立摆的研究现状,并介绍 了当前已有的稳定倒立摆的各种控制方法。

然后在总结归纳模糊控制和神经网络控制的基 础上给出了模糊逻辑和神经网络控制相融合的优点,介绍了模糊神经网络的基本知识,分 析了模糊神经网络结构。

论文以模糊控制理论为基础,采用了模糊控制中 Mamdani 模糊推 理系统,对倒立摆的各个变量进行控制,并且采用了自适应神经网络对模糊控制规则进行 了训练,并在此基础上设计出模糊神经网络控制器。

最后,在现有倒立摆实物系统中进行 了直线单级倒立摆的实时控制,并对相应结果进行了分析。

实验结果证明,模糊神经网络 模型控制精度高,收敛性好,对倒立摆有良好控制效果。

关键词:倒立摆;模糊控制;神经网络;自适应

基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计

Design of an Inverted Pendulum Control System Based on Fuzzy Neural Network AbstractInverted pendulum is a typical model of multi-variable, nonlinear, essentially unsteady system, and researching stability of inverted pendulum system has the profound meaning in theory and methodology. The research on inverted pendulum can be diverted to the research on nonlinear, multi-variable and unsteady system. In this article, first of all, analyze the meaning of researching the inverted pendulum system, give a summary on the research actuality of inverted pendulum, and introduce many control ways on making inverted pendulum system steady. Based on the summary of fuzzy control theory and neural network control theory, the merit of combination fuzzy logic control with neural network control is presented. Then introduce the essential definitions, analyze the structure of fuzzy neural network. The article is based on the fuzzy control theory, it controls all the variables in the inverted pendulum with the use of Mamdani FIS and use adaptive neural network to exercise fuzzy control rules, and give a design method for fuzzy neural network system controller. At last, use the structure chart of the system to control the inverted pendulum system. The experiment result proves that FNNC has higher precision, better astringency and it has much better control effect for inverted pendulum. Key words:Inverted Pendulum; Fuzzy control; Neural network; Adaptive

基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计

目录论文总页数:41 页1 引言 ..................................................................................1 1.1 倒立摆系统研究的目的和意义 ........................................................1 1.2 倒立摆系统研究的历史与现状 ........................................................1 1.3 倒立摆的控制方法 ..................................................................2 1.4 本论文的工作任务及设计思路 ........................................................2 2 一级倒立摆系统的数学模型 ..............................................................3 2.1 倒立摆组成概述 ....................................................................3 2.2 一级倒立摆的牛顿—欧拉方法建模 ....................................................4 2.2.1 微方程的推导 ..................................................................4 2.2.2 传递函数 ......................................................................6 2.2.3 状态空间方程 ..................................................................6 2.3 系统可控性的分析 ..................................................................9 2.4 系统阶跃响应分析 .................................................................10 2.5 本章小结 .........................................................................10 3 模糊控制与神经网络理论基础 ...........................................................11 3.1 模糊控制理论 .....................................................................11 3.1.1 模糊集合及其运算 .............................................................11 3.1.2 模糊关系 .....................................................................12 3.1.3 模糊控制 .....................................................................13 3.1.4 模糊控制的特点 ...............................................................13 3.2 神经网络理论 .....................................................................14 3.2.1 神经网络基础——单神经元模型 .................................................14 3.2.2 神经网络基本结构 .............................................................15 3.2.3 神经网络的学习 ...............................................................16 3.2.4 神经网络控制 .................................................................17 3.2.5 神经网络控制特点 .............................................................18 3.3 模糊神经网络 .....................................................................18 3.4 本章小结 .........................................................................18 4 模糊神经网络控制器的设计与仿真 .......................................................19 4.1 神经网络实现模糊控制的基本原理 ...................................................19 4.2 直线一级倒立摆模糊神经网络控制器的设计 ...........................................21

基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计

4.2.1 模糊控制系统的设计 ...........................................................22 4.2.2 模糊控制规则的神经网络训练 ...................................................26 4.3 倒立摆神经网络控制器的 MATLAB 仿真 ................................................30 4.3.1 MATLAB 与 Simulink 简介........................................................30 4.3.2 直线一级倒立摆仿真实验 .......................................................31 4.4 本章小结 .........................................................................33 5 倒立摆系统的实时控制 .................................................................34 5.1 倒立摆实物系统介绍 ...............................................................34 5.2 实时控制结果及分析 ...............................................................35 5.3 本章小结 .........................................................................37 结 论 ...............................................................................37参考文献 ...............................................................................39 致 声 谢 ...............................................................................40 明 ...............................................................................41

基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计

1 引言1.1 倒立摆系统研究的目的和意义在稳定性控制问题上,倒立摆既具有普遍性又具有典型性。

它是本质不稳定 系统的典型代表,对它的研究成果可以应用到许多应用领域。

倒立摆系统可以用 多种理论和方法来实现其稳定控制,如PID、自适应、智能控制、模糊控制以及 人工神经元网络等都能在倒立摆系统控制上得以实现。

而且当一种新的控制理论 和方法提出以后,都可以考虑通过倒立摆装置来验证其正确性和实用性。

倒立摆系统在控制系统研究中受到普遍重视, 倒立摆系统已被公认为自动控 制理论中的典型试验设备, 也是控制理论在教学和研究中必不可少的典型物理模 型。

通过对倒立摆系统的研究,不仅可以解决控制中的理论问题,还能将控制理 论所涉及的几个基础学科——力学、数学、控制理论(含计算机)、模糊控制和 神经网络有机地结合起来,在倒立摆系统中进行综合应用。

在控制理论发展的过程中, 某一理论的正确性及其在实际应用中的可行性需 要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证这一理论, 倒立摆就是 这样一个典型被控对象。

作为一个受控装置, 它成本低廉、 结构简单、 形象直观、 便于实现模拟和数字两者不同的方式的控制。

作为一个本质不稳定的被控对象, 只有采取行之有效的控制方法,才能使之稳定。

对倒立摆系统进行控制,其稳定 效果非常明了,可以通过摆动角度位移和稳定时间直接度量,控制效果的好坏一 目了然。

理论是工程的先导,对倒立摆的研究不仅有着极其深刻的理论意义,还 有重要的工程背景,空间飞行器、磁悬浮和各类伺服云台的数学模型,都和倒立 摆的数学模型有着很大的相似性,其它如海上钻井平台的稳定控制、火箭姿态控 制、飞机安全着陆等都属于这类问题。

因此对倒立摆机理的研究具有重要的理论 和实际意义。

1.2 倒立摆系统研究的历史与现状国外对一级倒立摆的研究从六十年代开始。

Cannon 等人在 1966 年首次实现 了对一级倒立摆的稳定控制,Smith 等人于 1975 年也完成了对一级倒立摆的稳 定控制,采用的方法是最优控制和状态重构。

对二级倒立摆的研究从七十年代开 始。

1972 年 Sturgen 等人采用模拟的方法完成了对二级倒立摆的稳定控制,1978 年,Furuta 等人采用小型计算机实现了对二级倒立摆的稳定控制,1980 年,他们 又完成了二级倒立摆在倾斜轨道上的稳定控制。

国内对倒立摆系统的研究工作是从八十年代开始的。

1982 年,西安交通大 学完成了二级倒立摆系统的研制和控制,采用了最优控制和降维观测器,以模拟 电路实现。

1983 年,国防科技大学完成了一级倒立摆系统的研制和控制。

1987 年,上海机械学院完成了一、二级倒立摆系统的研制,采用微机实现控制,并且第 1 页 共 41 页

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