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基于云模型理论的倒立摆智能控制方法研究

作　者: 刘微微
导　师: 张静
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 云模型 倒立摆 隶属云 LQR控制
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


智能控制是一类具有某些仿人智能行为特征的控制策略,主要针对模型参数复杂、模型结构难以用数学方法精确描述的被控对象。李德毅院士提出的云模型理论是基于不确定性人工智能的思想,该理论着重于对象的不确定性分析,将模糊性与随机性结合在一起,实现了定性概念与定量数值之间的不确定性转换,基于该理论的方法现已成功地运用于倒立摆的稳定控制、知识开采和数据挖掘、系统效能评估等方面。倒立摆系统作为一种实验设备,在教学和科研过程发挥着重要作用,它以其自身的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定性,成为检验各种控制理论和方法的理想模型。本文以云模型理论作为基石,对一级倒立摆系统的稳定控制问题进行了研究。首先,采用牛顿力学方法建立了倒立摆系统的数学模型,分析了倒立摆系统的定性控制机理,并给出了倒立摆系统的各种动平衡模式。其次,本文详细闸述了云模型的基本理论,重点分析了正态云模型的正向云发生器和逆向云发生器,并对定性规则的云推理进行介绍。再次,本文基于正态分布的“3En原则”对隶属云概念判定的算法进行了改进,改进后的算法降低了模糊概念判定的时间复杂度,且用于云推理时可以避免激活无效规则。此外,本文以MATLAB语言为工具对正向云发生器和逆向云发生器进行了软件实现,为倒立摆系统云控制器设计的实现提供了软件支持。最后,本文利用改进的云模型控制算法对倒立摆系统进行控制,并与线性二次型最优控制(LQR)控制方法进行对比,仿真结果表明,该方法控制的倒立摆系统具有良好的动态响应性能和鲁棒性,体现了云模型理论在处理不确定性问题上所具有的优势。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-16
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 智能控制的发展概况  11-13
    1.2.1 智能控制的兴起  11
    1.2.2 智能控制的应用现状  11-12
    1.2.3 云模型理论的发展及现状  12-13
  1.3 倒立摆系统智能控制发展概况  13-14
  1.4 研究的目的和意义  14-15
  1.5 论文主要研究的内容  15-16
第2章 倒立摆系统的建模及分析  16-26
  2.1 倒立摆简介  16-17
  2.2 倒立摆控制机理  17-18
  2.3 倒立摆系统建模  18-22
  2.4 倒立摆性能分析  22-24
    2.4.1 稳定性分析  22
    2.4.2 能控、能观性分析  22-24
  2.5 倒立摆系统的动平衡模式分析  24-25
  2.6 本章小结  25-26
第3章 云模型理论  26-35
  3.1 云模型的引出  26-27
  3.2 云的基本概念及数字特征  27-30
    3.2.1 云和云滴  27-28
    3.2.2 云的数字特征  28
    3.2.3 云模型的类型  28-29
    3.2.4 正态云模型  29-30
  3.3 云发生器  30-31
    3.3.1 正向云发生器  30-31
    3.3.2 逆向云发生器  31
  3.4 定性规则的云推理  31-34
    3.4.1 前件云发生器和后件云发生器  31-32
    3.4.2 单条件单规则云发生器  32-33
    3.4.3 单条件多规则云发生器  33-34
  3.5 本章小结  34-35
第4章 云发生器的算法及软件实现  35-46
  4.1 正态云发生器的算法  35-36
  4.2 隶属云概念判定的改进算法  36-40
    4.2.1 正态云的"3En"原则  37
    4.2.2 隶属概念判定算法  37-38
    4.2.3 隶属概念判定的改进算法  38-40
  4.3 正态云发生器的软件实现  40-45
    4.3.1 正态随机数生成原理  40-41
    4.3.2 正向云发生器软件实现  41-44
    4.3.3 逆向云发生器软件实现  44-45
  4.4 本章小结  45-46
第5章 云模型理论在倒立摆系统中的应用  46-63
  5.1 倒立摆系统的云控制  46-56
    5.1.1 控制方案的选取  46-48
    5.1.2 云控制器设计  48-52
    5.1.3 云控制仿真及结果分析  52-56
  5.2 云控制与LQR控制方法的比较  56-62
    5.2.1 LQR控制基本原理及分析  56-57
    5.2.2 LQR控制MATLAB仿真  57-59
    5.2.3 仿真结果及分析  59-62
  5.3 本章小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-69
攻读学位期间发表的学术论文  69-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化基础理论 > 自动控制理论
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