二级倒立摆

分类号密级UDC学位论文二级倒立摆系统的模糊控制研究作者姓名：陈泽望指导教师：高宪文教授东北大学信息科学与工程学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：控制理论与控制工程论文提交日期：2008年6月论文答辩日期：2008年7月学位授予日期：答辩委员会主席：王建辉教授评阅人：李界家教授王小刚副教授东北大学2008年6月AThesisinControlTheoryandControlEngineeringResearchonFuzzyControlforDoubleInvertedPendulumByChenZewangSupervisor:ProfessorGaoXianwenNortheasternUniversityJune2008I独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。学位论文作者签名：签字日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年□一年□一年半□两年□学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文摘要II二级倒立摆系统的模糊控制研究摘要倒立摆系统是一个典型快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统。研究其控制理论和方法，对于双足机器人行走、火箭发射过程调整和直升机飞行控制领域有重要的现实意义。本文以二级倒立摆为研究对象，采用了多种模糊控制方法来解决常规模糊控制器控制性能与规则数之间的矛盾，以期实现对二级倒立摆的有效控制。论文首先简要论述了模糊控制发展概况与趋势，综述了倒立摆控制发展历程和研究现状；介绍了倒立摆系统的结构及工作原理，基于分析力学建立了二级倒立摆的非线性模型，并对其在工作点处进行线性化；对其线性化模型的稳定性等进行了分析。其次，对线性二次型昀优控制、模糊控制以及它们之间的互相结合作了较为系统的论述，研究了多种模糊控制方法。基于融合函数的模糊控制策略结合线性系统理论中的状态反馈控制方法和融合技术，通过设计融合函数降低模糊控制器的输入变量维数，较好地解决了规则爆炸问题；基于T-S模型的逐级模糊控制策略结合T-S模糊推理模型和逐级控制思想，选取有效模糊规则，简化多输入情况下的模糊控制器设计。昀后，通过编写S函数对二级倒立摆系统建立了非线性模型。在Matlab/Simulink环境下对二级倒立摆进行了一定的仿真研究工作，分析比较了各种方法的控制效果。结果表明，本文所给出的几种模糊控制策略较好地解决了规则爆炸问题及简化了控制器的设计，取得了较好的控制效果。关键词：倒立摆；模糊控制；融合函数；T-S模型；逐级控制东北大学硕士学位论文AbstractIIIResearchonFuzzyControlforDoubleInvertedPendulumAbstractInvertedpendulumisatypicalhighordersystemthatisfleet,multivariable,nonlinear,strongcouplingandabsolutelyinstable.Theresearchontheoriesandmethodsoftheinvertedpendulum'scontrolisofextensivesignificanceinmanyfieldssuchaswalkingofbipedrobots,launchingprocessofrocketsandflyingcontrolofhelicopters.Severalfuzzycontrolstrategiesareemployedtosolvethecontradictionbetweenthecontrolperformanceandthenumberoffuzzyrules,aimingtocontroldoubleinvertedpendulumeffectivelyinthisthesis.Firstly,thedevelopmentsituationandtrendoffuzzycontrolarediscussedbrieflyandthedevelopmentcourseandresearchstatusofinvertedpendulumaresummarizedinthisthesis.Thestructureandworkprincipleofdoubleinvertedpendulumareintroduced.NonlinearmechanismmodelofitanditslinearizationmodelinequilibriumareobtainedbymeansofLagrangeequation.Performances,suchasstability,areanalyzedforlinearizationmodel.Secondly,linearquadraticoptimumcontrol,fuzzycontrol,andtheirmutualcombinationarediscussedsystematically.Severalfuzzycontrolstrategiesarestudied.Informationfusionwhichisbasedonfuzzycontrolstrategyreducesthedimensionofitsinputvectorsandsolvestheproblemofrulenumber'sexplosionbycombiningthelinearsystemtheorywithinformationfusiontechnique.Takagi-Sugenobasedgradualfuzzycontrolstrategy,whichhasfewerandmoreeffectiverulesandcangreatlysimplifythedesignprocessoffuzzycontroller,isadoptedtostabilizethedoubleinvertedpendulum.Finally,thesimulationmodelofdoubleinvertedpendulumsystemiseditedbycompilingSfunctioninMatlab/Simulinkandsomesimulationsarecarriedout.Simulationresultsindicatethatthefuzzycontrolstrategiesproposedinthisthesiscannotonlysolvetheproblemoffuzzyrulenumber'sexplosionandsimplifythedesignprocessoffuzzycontroller,butalsoobtainbetterperformanceincontrolofthedoubleinvertedpendulum.Keywords:InvertedPendulum;FuzzyControl;FusionFunction;T-SModel;GradualControl东北大学硕士学位论文目录IV目录独创性声明.................................................................................................................................I摘要.........................................................................................................................................IIABSTRACT............................................................................................................................III第1章绪论..............................................................................................................................11.1课题的研究背景和意义.....................................................................................................11.2模糊控制的研究概况.........................................................................................................11.2.1模糊控制的产生......................................................................................................11.2.2模糊控制的研究现状与发展趋势..........................................................................21.3倒立摆控制系统研究概况.................................................................................................41.3.1倒立摆控制系统的产生..........................................................................................41.3.2倒立摆控制系统的研究现状与发展趋势..............................................................51.4本文的主要工作.................................................................................................................7第2章倒立摆系统建模与现代控制策略分析......................................................................92.1二级倒立摆系统的结构及工作原理.................................................................................92.2二级倒立摆系统的数学建模.............................................................................................92.2.1倒立摆系统建模假设...................................................................