倒立擺模糊控制matlab

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1、模糊控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：基于matlab的倒立擺模糊控制專(zhuān)業(yè)、班級(jí)：09級(jí)電氣四班學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：分?jǐn)?shù):2012年6月15日緒論倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線(xiàn)性系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論設(shè)計(jì)及測(cè)試的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。倒立擺系統(tǒng)控制涉及到機(jī)器人技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域。其被控系統(tǒng)本身是一個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)定、高階次、多變量、強(qiáng)耦合的非線(xiàn)性系統(tǒng)，可以作為一個(gè)典型的控制對(duì)象對(duì)其進(jìn)行研究[1]。同時(shí),由于實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)中存在的各種摩擦力，實(shí)際倒立擺系統(tǒng)亦具有一定的不確定性。倒立擺系統(tǒng)的控制涉及

2、到許多典型的控制問(wèn)題：非線(xiàn)性問(wèn)題、隨動(dòng)及跟蹤問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、非最小相位系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題等等。正是由于倒立擺系統(tǒng)的特殊性，許多不同領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者在檢驗(yàn)新提出理論的正確性和實(shí)際可行性時(shí)，都將倒立擺系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。再將經(jīng)過(guò)測(cè)試后的控制理論和控制方法應(yīng)用到更為廣泛的領(lǐng)域中去[1]。如：把一級(jí)倒立擺的研究成果應(yīng)用到對(duì)航空航天領(lǐng)域中的火箭發(fā)射推進(jìn)器和衛(wèi)星飛行狀態(tài)控制的研究；把二級(jí)倒立擺的研究成果應(yīng)道到雙足機(jī)器人行走控制中[2]。所以說(shuō)，對(duì)倒立擺系統(tǒng)控制理論的研究不僅具有理論研究?jī)r(jià)值，也具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際工程應(yīng)用

3、價(jià)值。倒立擺系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制方法主要是使用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。它們都以精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為控制對(duì)象。經(jīng)典控制理論在線(xiàn)性定常、輸入輸出量較少的系統(tǒng)中能很好的完成控制設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)典控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是拉普拉斯變換，占主導(dǎo)地位的分析和綜合方法是頻率域方法。而現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)空間分析法上的，基本分析方法是時(shí)域分析法。這種方法能夠克服經(jīng)典控制理論的缺陷：能夠解決系統(tǒng)的輸入輸出變量過(guò)多、系統(tǒng)的非線(xiàn)性等問(wèn)題?，F(xiàn)代控制理論已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、軍事科學(xué)、航空航天等許多方面都取得了成功的應(yīng)用。例如極小值原理

4、可以用來(lái)解決某些最優(yōu)控制問(wèn)題；利用卡爾曼濾波器可以對(duì)具有有色噪聲的系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)；預(yù)測(cè)控制理論可以對(duì)大滯后過(guò)程進(jìn)行有效的控制。但是它們都有一個(gè)基本的要求：需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。然而由于一系列的原因，諸如被控對(duì)象或過(guò)程的非線(xiàn)性、時(shí)變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)干擾、過(guò)程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量手段不完善等，難以建立被控對(duì)象的精確模型[4]。雖

5、然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一些問(wèn)題，但范圍是有限的。對(duì)于像二級(jí)倒立擺這樣的非線(xiàn)性、多參數(shù)、強(qiáng)耦合的被控對(duì)象，使用傳統(tǒng)控制理論難以達(dá)到良好的控制性能。而模糊控制理論能夠克服這些困難，達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)要求。2模糊控制的基本原理2.1模糊理論的基本知識(shí)2.1.1模糊控制概述幾千年來(lái)，人類(lèi)雖然一直延用數(shù)字計(jì)算，整個(gè)自然科學(xué)建立在數(shù)字基礎(chǔ)上，然而卻一直采用語(yǔ)言模糊描述。人類(lèi)本身可感知信息，進(jìn)行思維判斷和決策，但人類(lèi)的智能和科學(xué)之間存在著不可逾越的鴻溝。自從1965年美國(guó)自動(dòng)控制理論專(zhuān)家L．A．Zadeh首次提出了

6、模糊集合理論以后人類(lèi)智能和現(xiàn)代科學(xué)之間才有了聯(lián)系的橋梁。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模糊控制理論在控制領(lǐng)域取得了巨大的成功，使模糊控制理論成為模糊理論最廣泛最成熟的應(yīng)用分支[3]。1974年英國(guó)教授馬丹尼首先將模糊集合理論應(yīng)用于加熱器的控制，其后產(chǎn)生了許多應(yīng)用的例子。其中比較典型的有：熱交換過(guò)程的控制，暖水工廠的控制，污水處理過(guò)程的控制，交通路口控制，水泥窯控制，飛船飛行控制，機(jī)器人控制，模型小車(chē)的?？亢娃D(zhuǎn)彎控制，汽車(chē)速度控制，水質(zhì)凈化控制，電梯控制，電流和核反應(yīng)堆的控制，并且生產(chǎn)出了專(zhuān)用的模糊芯片和模糊計(jì)

7、算機(jī)[8]。在模糊控制的應(yīng)用方面，日本走在了前列。日本在國(guó)內(nèi)建立了專(zhuān)門(mén)的模糊控制研究所，日本仙臺(tái)的一條鐵路的控制系統(tǒng)采用了模糊控制的方法并取得了很好的效果。日本還率先將模糊控制應(yīng)用到日用家電產(chǎn)品的控制中，如照相機(jī)、吸塵器、洗衣機(jī)等，模糊控制的應(yīng)用在日本已經(jīng)相當(dāng)普及。模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，

8、將推理后得到的輸出量去模糊化后加到執(zhí)行器上。它適用于被控對(duì)象沒(méi)有數(shù)學(xué)模型或很難建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中，并且在這些過(guò)程中參數(shù)變動(dòng)呈現(xiàn)極強(qiáng)的非線(xiàn)性，模糊控制是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。2.1.2模糊集合(1)論域。具有某種特定屬性的對(duì)象的全體，稱(chēng)為集合。所謂論域，指我們所研究的事物的范圍或所研究的全部對(duì)象。論域中的事物稱(chēng)為元素，其中一部分元組成的集合稱(chēng)作子集。(2)模糊集合定義。論域U中的模糊集F用一個(gè)在區(qū)間[0，1]上的取值的隸屬函數(shù)來(lái)表示，即是用