基于模糊神经网络的一级倒立摆控制系统设计

分类号：TP273.4UDC：D10621-408-(2008)1615-0密级：公开编号：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：王飞申请学位专业：自动化申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：张秀芳（讲师）论文提交日期：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DesignofanInvertedPendulumControlSystemBasedonFuzzyNeuralNetworkAbstractInvertedpendulumisatypicalmodelofmulti-variable,nonlinear,essentiallyunsteadysystem,andresearchingstabilityofinvertedpendulumsystemhastheprofoundmeaningintheoryandmethodology.Theresearchoninvertedpendulumcanbedivertedtotheresearchonnonlinear,multi-variableandunsteadysystem.Inthisarticle,firstofall,analyzethemeaningofresearchingtheinvertedpendulumsystem,giveasummaryontheresearchactualityofinvertedpendulum,andintroducemanycontrolwaysonmakinginvertedpendulumsystemsteady.Basedonthesummaryoffuzzycontroltheoryandneuralnetworkcontroltheory,themeritofcombinationfuzzylogiccontrolwithneuralnetworkcontrolispresented.Thenintroducetheessentialdefinitions,analyzethestructureoffuzzyneuralnetwork.Thearticleisbasedonthefuzzycontroltheory,itcontrolsallthevariablesintheinvertedpendulumwiththeuseofMamdaniFISanduseadaptiveneuralnetworktoexercisefuzzycontrolrules,andgiveadesignmethodforfuzzyneuralnetworksystemcontroller.Atlast,usethestructurechartofthesystemtocontroltheinvertedpendulumsystem.TheexperimentresultprovesthatFNNChashigherprecision,betterastringencyandithasmuchbettercontroleffectforinvertedpendulum.Keywords：InvertedPendulum;Fuzzycontrol;Neuralnetwork;Adaptive目录论文总页数：41页1引言..................................................................................11.1倒立摆系统研究的目的和意义........................................................11.2倒立摆系统研究的历史与现状........................................................11.3倒立摆的控制方法..................................................................21.4本论文的工作任务及设计思路........................................................22一级倒立摆系统的数学模型..............................................................32.1倒立摆组成概述....................................................................32.2一级倒立摆的牛顿—欧拉方法建模....................................................42.2.1微方程的推导..................................................................42.2.2传递函数......................................................................62.2.3状态空间方程..................................................................62.3系统可控性的分析..................................................................92.4系统阶跃响应分析.................................................................102.5本章小结.........................................................................103模糊控制与神经网络理论基础...........................................................113.1模糊控制理论.....................................................................113.1.1模糊集合及其运算.............................................................113.1.2模糊关系.....................................................................123.1.3模糊控制.....................................................................133.1.4模糊控制的特点...............................................................133.2神经网络理论.....................................................................143.2.1神经网络基础——单神经元模型.................................................143.2.2神经网络基本结构.............................................................153.2.3神经网络的学习...............................................................163.2.4神经网络控制.................................................................173.2.5神经网络控制特点.............................................................183.3模糊神经网络.....................................................................183.4本章小结.........................................................................184模糊神经网络控制器的设计与仿真.......................................................194.1神经网络实现模糊控制的基本原理...................................................194.2直线一级倒立摆模糊神经网络控制器的设计...........................................214.2.1模糊控制系统的设计...........................................................224.2.2模糊控制规则的神经网络训练...................................................264.3倒立摆神经网络控制器的MATLAB仿真................................................304.3.1MATLAB与Simulink简介........................................................304.3.2直线一级倒立摆仿真实验.......................................................314.4本章小结.........................................................................335倒立摆系统的实时控制.................................................................345.1倒立摆实物系统介绍...............................................................345.2实时控制结果及分析...............................................................355.3本章小结.........................................................................37结论......................