基于遺傳算法的直線兩級(jí)倒立擺控制畢設(shè)答辯課件

1智能控制算法研究及其在直線多級(jí)倒立擺中的實(shí)現(xiàn)08研：韓月娟導(dǎo)師：劉永信

教授模式識(shí)別與智能系統(tǒng)

2011.061智能控制算法研究及其在直線多級(jí)倒立擺中的實(shí)現(xiàn)08研：韓月娟2

背景與意義硬件與軟件建模與定量分析二級(jí)穩(wěn)擺一級(jí)自起和穩(wěn)擺總結(jié)與展望主要參考文獻(xiàn)致謝結(jié)束內(nèi)容概要2背景與意義硬件與軟件建模與定量分析二級(jí)穩(wěn)擺一級(jí)自起和穩(wěn)背景和意義

背景

1971傅京孫提出智能控制，現(xiàn)今智能控制已由二元論：人工智能和控制論發(fā)展到四元論：人工智能、模糊集理論、運(yùn)籌學(xué)與控制論。

智能控制是對(duì)傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，傳統(tǒng)控制是智能控制的一個(gè)組成部分。

類型：專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法學(xué)習(xí)控制。

3直線多級(jí)倒立擺GA與FuzzycontrolEnergyControl背景和意義背景3直線多級(jí)倒立擺GA與Fuzzyco4直線平面環(huán)形復(fù)合二十世紀(jì)五十年代，（MIT）的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計(jì)出一級(jí)的倒立擺。分類火箭垂直度控制起源4直線平面環(huán)形復(fù)合二十世紀(jì)五十年代，（MIT）的控制論專家意義智能算法倒立擺

更廣泛的現(xiàn)實(shí)世界5雙輪倒立擺衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整雙足機(jī)器人仿人雜技機(jī)器人絕對(duì)不穩(wěn)定、高階次、多變量，強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)非線性、魯棒性、鎮(zhèn)定性、跟蹤問題以及隨動(dòng)問題實(shí)踐理論意義智能算法倒立擺倒立擺系統(tǒng)控制算法穩(wěn)擺控制經(jīng)典：根軌跡、頻域分析、PID線控：狀態(tài)反饋，最優(yōu)調(diào)節(jié)智能：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法自起擺控制

智能控制、能量反饋等6倒立擺系統(tǒng)控制算法穩(wěn)擺控制6課題方案7能量反饋?zhàn)云餑A-LQR穩(wěn)擺離線仿真硬件在回路控制GA-LQR穩(wěn)擺降維模糊控制離線仿真Matlab/GUI界面開發(fā)離線仿真硬件在回路控制一級(jí)二級(jí)課題方案7能量反饋?zhàn)云餑A-LQR穩(wěn)擺離線仿真硬件在回路控制2.硬件和軟件環(huán)境2.1硬件8運(yùn)動(dòng)控制卡伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)倒立擺系統(tǒng)位移編碼器角度編碼器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)：dellPC機(jī)512M運(yùn)動(dòng)控制卡：固高公司GT-400-SV-PCI系列伺服系統(tǒng)：Panasonic公司MADDT1205**交流伺服驅(qū)動(dòng)與MSMD5AZS1S**系列交流伺服電機(jī)倒立擺系統(tǒng)：GLIP2003編碼器：NIDECNEMICON光電編碼器2.硬件和軟件環(huán)境2.1硬件8運(yùn)動(dòng)控制卡伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)2.2軟件環(huán)境9NameVersionMatlab7.5.0Simulink7.0Real-TimeWorkshop7.0Real-TimeWindowsTarget3.0VisualC++6.06.0(Enterprice)2.2軟件環(huán)境9NameVersionMatlab7.5.102.3硬件在回路實(shí)時(shí)控制過程硬件接口監(jiān)控界面參數(shù)實(shí)時(shí)觀測和修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)PCI建模、仿真、時(shí)控102.3硬件在回路實(shí)時(shí)控制過程硬件接口監(jiān)控界面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3.建模與定性分析3.1一級(jí)倒立擺（GLIP2003系列）11CartOyxΦLF牛頓力學(xué)特征根不穩(wěn)定能控能觀參數(shù)物理意義參數(shù)值小車相對(duì)初始位置的位移m擺桿與豎直向下位置的夾角radф擺桿與豎直向上位置的夾角radM小車質(zhì)量1.096kgm一級(jí)擺桿的質(zhì)量0.109kgL一級(jí)擺桿的長度0.50ml一級(jí)擺桿軸心到質(zhì)心的長度0.25mI一級(jí)擺桿慣量0.0034kgm2b小車動(dòng)摩擦系數(shù)0.1N/m/sec3.建模與定性分析3.1一級(jí)倒立擺（GLIP2003系列）12Cart伺服電機(jī)從動(dòng)輪皮帶導(dǎo)軌二級(jí)擺桿一級(jí)擺桿質(zhì)量塊拉格朗日特征根不穩(wěn)定能控能觀矩陣分析3.2兩級(jí)倒立擺參數(shù)意義參數(shù)值M小車質(zhì)量1.096kgm1擺桿1質(zhì)量0.05kgm2擺桿2質(zhì)量0.13kgm3質(zhì)量塊質(zhì)量0.295kgl1擺桿1中心到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離0.0775ml2擺桿2中心到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離0.25mθ1擺桿1與豎直方向的夾角Radθ2擺桿2與豎直方向的夾角Radu倒立擺系統(tǒng)控制量Ng當(dāng)?shù)刂亓铀俣?.8Nm/sec212Cart伺服電機(jī)從動(dòng)輪皮帶導(dǎo)軌二級(jí)擺桿一級(jí)擺桿質(zhì)量塊拉格13實(shí)時(shí)控制視頻4.直線一級(jí)倒立擺的自起擺和穩(wěn)擺控制自起和穩(wěn)擺有擾動(dòng)自起和穩(wěn)擺帶質(zhì)量塊自起控制器輸出狀態(tài)穩(wěn)擺控制器一級(jí)倒立擺Switch原理框圖輸入狀態(tài)一13實(shí)時(shí)控制視頻4.直線一級(jí)倒立擺的自起擺和穩(wěn)擺控制自起和穩(wěn)4.1直線一級(jí)自起擺控制器設(shè)計(jì)

4.1.1自起擺過程分析

系統(tǒng)從自然平衡狀態(tài)借助外力的作用轉(zhuǎn)移到豎直向上位置14欲使擺桿從自然平衡態(tài)轉(zhuǎn)移到豎直向狀態(tài)，且擺動(dòng)速度接近0，需要的能量為：不受約束的倒立擺系統(tǒng)在擺桿處于任意角度時(shí)的能量為：與豎直向上位置的夾角利用能量反饋反饋系數(shù)希望通過u使E快速接近E04.1直線一級(jí)自起擺控制器設(shè)計(jì)4.1.1自起擺過程分

4.1.2自起擺控制器設(shè)計(jì)

15其中為了保證借助李雅普諾夫第二法構(gòu)造能量標(biāo)量函數(shù)始終有單調(diào)遞減令控制策略當(dāng)該控制策略可以使E逐漸接近E0有省略4.1.2自起擺控制器設(shè)計(jì)15其中為了保證借助李雅普諾夫封裝基于能量反饋的自起擺控制器16EndMdlstartMdlderivativesMdloutputMdlupdateMdloutputMdlterminateMdlderivativesC語言的S-Function實(shí)現(xiàn)0.05-0.6封裝基于能量反饋的自起擺控制器16EndMdlstartMd4.2一級(jí)倒立擺GA-LQR穩(wěn)擺控制17性能指標(biāo)使得指標(biāo)最小的控制規(guī)律簡化穩(wěn)態(tài)誤差為0傳統(tǒng)方法是？課題的方案是？解得P4.2.1LQR控制4.2一級(jí)倒立擺GA-LQR穩(wěn)擺控制17性能指標(biāo)使得指標(biāo)最4.2.2GA-LQR穩(wěn)擺控制器設(shè)計(jì)18待優(yōu)化參數(shù)Q和R編碼產(chǎn)生初始種群計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值gen=0選擇重組變異計(jì)算子代適應(yīng)度函數(shù)值子代重插入達(dá)到最大迭代次數(shù)？優(yōu)化后的Q和Rgen=gen+1YN

50u(t)遺傳算法尋優(yōu)解Riccati方程解碼-K倒立擺系統(tǒng)輸出YN迭代結(jié)束？

X(t)

引入移民機(jī)制自適應(yīng)交叉和變異率GA-LQR原理圖4.2.2GA-LQR穩(wěn)擺控制器設(shè)計(jì)18待優(yōu)化參數(shù)Q和R編19初始化種群分布100次迭代終止

遺傳算法初始種群和優(yōu)化過程中的波形輸出19初始化種群分布100次迭代終止遺傳算法初始種群和優(yōu)化過20迭代終止后輸出一級(jí)擺GA-LQR穩(wěn)擺控制仿真模型20迭代終止后輸出一級(jí)擺GA-LQR穩(wěn)擺控制仿真模型21在GA-LQR穩(wěn)擺控制策略下，車桿系統(tǒng)經(jīng)過2S進(jìn)入豎直向上平衡狀態(tài)，小車幾乎穩(wěn)定在參考零點(diǎn)，擺桿穩(wěn)定在豎直向上位置，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好。Position（m）Speed（m/s）Angle（rad）dAngle（rad/s）Times（S）Times（S）小車位移擺角4.2.3直線一級(jí)倒立擺穩(wěn)擺控制仿真效果1.無干擾時(shí)21在GA-LQR穩(wěn)擺控制策略下，車桿系統(tǒng)經(jīng)過2S進(jìn)入豎直向2.施加干擾22給擺桿施加0.01rad的擺動(dòng)干擾小車位移和擺角曲線如圖具有小幅干擾的車桿系統(tǒng)，小車為了跟隨擺桿的變化趨勢，會(huì)偏離初始參考零點(diǎn)3-4cm，擺桿在2S內(nèi)穩(wěn)定在豎直向上位置，系統(tǒng)的魯棒性良好。Position（m）Angle（rad）Times（S）Times（S）小車位移擺角穩(wěn)擺效果2.施加干擾22給擺桿施加0.01rad的擺動(dòng)干擾小車位移和4.2.4直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制23實(shí)時(shí)控制模型實(shí)時(shí)控制參數(shù)設(shè)置0.254.2.4直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制23實(shí)時(shí)控制模型實(shí)時(shí)控1.無擾動(dòng)242.對(duì)擺桿施加外力擾動(dòng)小車位移擺角自起擺階段穩(wěn)擺階段擾動(dòng)Times（S）Position（m）Angle（rad）Times（S）Position（m）Angle（rad）Times（S）Position（m）Angle（rad）3.給系統(tǒng)加入質(zhì)量塊1.無擾動(dòng)242.對(duì)擺桿施加外力擾動(dòng)小車位移擺角自起擺階段穩(wěn)25無擾動(dòng)施加擾動(dòng)5.兩級(jí)倒立擺的穩(wěn)擺控制

5.1GA-LQR穩(wěn)擺控制二25無擾動(dòng)施加擾動(dòng)5.兩級(jí)倒立擺的穩(wěn)擺控制5.1GA-

遺傳算法初始種群和優(yōu)化過程中的波形輸出26初始化種群分布20次迭代100次終止

GA-LQR碼串:7初始種群:60。遺傳算法初始種群和優(yōu)化過程中的波形輸出26初始化種群分布2

GA-LQR穩(wěn)擺仿真控制模型與參數(shù)

27GA-LQR穩(wěn)擺仿真控制模型與參數(shù)

275.1.1Matlab/GUI仿真圖形界面開發(fā)28Run中的界面顯示以GA-LQR二級(jí)為例5.1.1Matlab/GUI仿真圖形界面開發(fā)28Run中5.1.2GA-LQR穩(wěn)擺控制仿真效果

1不施加干擾時(shí).給定系統(tǒng)的初始狀態(tài)：仿真步長為0.005，仿真歷時(shí)5S。

29藍(lán)色曲線實(shí)驗(yàn)測試小車位移、一擺角度和二擺角度、小車移動(dòng)速度、一擺角速度和二擺角速度曲線如圖所示：5.1.2GA-LQR穩(wěn)擺控制仿真效果1不施加干擾時(shí)30Position（m）Speed（m/s）Times（S）Times（S）Angle1（rad）dAngle1（rad/s）Angle2（rad）dAngle2（rad/s）小車位移一擺擺角二擺擺角系統(tǒng)約2.5秒內(nèi)達(dá)到平衡，小車移動(dòng)范圍：-2.5-2.5（cm），一擺擺角：-0.0125-0.025（rad），二擺擺角：-0.0075-0.01rad。體現(xiàn)GA-LQR控制穩(wěn)定性和快速性。30Position（m）Speed（m/s）Times（S31

2.施加仿真干擾仿真過程中給系統(tǒng)第二級(jí)擺桿施加-0.1rad/s~0.1rad/s干擾，此時(shí)小車的位移曲線和速度曲線如圖所示：小車位移小車速度Position（m）Speed（m/s）Times（S）Times（S）施加干擾后，GA-LQR控制迅速使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，小車移動(dòng)幅度為10cm左右，相對(duì)比試探法LQR效果要好一些，證明GA-LQR控制策略的很好的魯棒性。312.施加仿真干擾小車位移小車速度Position（m）32Times（S）Times（S）Position（m）Position（m）GA-LQR控制完全交給計(jì)算機(jī)處理，其高效性是顯而易見的。小車位移干擾后位移3.在仿真實(shí)驗(yàn)中當(dāng)通過試探法確定的一組權(quán)重參數(shù)是：相同的仿真環(huán)境下小車的位移和施加同上干擾干擾后小車的位移如圖所示：32Times（S）Times（S）Position（m）P5.1.3GA-LQR穩(wěn)擺實(shí)時(shí)控制33硬件在回路控制方框圖5.1.3GA-LQR穩(wěn)擺實(shí)時(shí)控制33硬件在回路控制方框圖34實(shí)時(shí)控制參數(shù)配置34實(shí)時(shí)控制1.無干擾時(shí)的波形輸出35Times（S）Position（m）Angle1（rad）Angle2（rad）系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)小車在±0.05m范圍內(nèi)小幅移動(dòng)，一級(jí)擺桿和二級(jí)擺桿存在約±0.01rad偏角范圍，在GA-LQR控制器作用下兩級(jí)倒立擺系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的快速性和穩(wěn)定性。小車位移一擺擺角二擺擺角手扶階段截取30s的waves1.無干擾時(shí)的波形輸出35Times（S）Position（2.有擾動(dòng)：

在30S和50S，分別給倒立擺系統(tǒng)的二級(jí)擺桿和一級(jí)擺桿施加隨機(jī)的外力干擾36Position（m）Angle1（rad）Angle2（rad）Times（S）給各擺桿施加外力干擾（代表一類隨機(jī)過沖干擾），倒立擺系統(tǒng)輸入控制力跟著增加以擴(kuò)大小車的移動(dòng)范圍繼續(xù)保持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，這個(gè)調(diào)節(jié)過程在約2-3S內(nèi)完成，系統(tǒng)在一個(gè)新的平衡點(diǎn)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，表現(xiàn)了很好的魯棒性和鎮(zhèn)定性。擾動(dòng)2.有擾動(dòng)：在30S和50S，分別給倒立擺系統(tǒng)的二級(jí)擺桿和5.2.1融合函數(shù)構(gòu)造

Y=F2[F1(x)]:GA-LQR構(gòu)造F1,接著設(shè)計(jì)F2。

37其中E，EC為模糊控制器的輸入GA-LQR5.2FusionFuzzyControlEC

U融合函數(shù)降維模糊控制器倒立擺系統(tǒng)Ke

Kec

Ku

原理框圖5.2.1融合函數(shù)構(gòu)造37其中E，EC為模糊控制器的輸入G5.2.2經(jīng)過融合函數(shù)降維的模糊穩(wěn)擺控制器設(shè)計(jì)38a.E和EC的模糊論域[-66]，

定義7個(gè)模糊子集，分別用語言變量描述為：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。b.定義隸屬度函數(shù)E，EC的隸屬度函數(shù)分布U的隸屬度函數(shù)分布UECNBNMNSZOPSPMPBENBNBNBNMNMNMNSZONMNMNMNSNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPSZONSNSNSZOPSPSPSPSNSNSZOPSPSPSPMPMNSZOPSPSPMPMPMPBZOPSPMPMPBPBPBc.建立模糊規(guī)則d.模糊推理決策：Mamdani面積重心5.2.2經(jīng)過融合函數(shù)降維的模糊穩(wěn)擺控制器設(shè)計(jì)38a.E39仿真控制模型39仿真控制模型5.2.3FusionFuzzyController仿真效果40給定初始狀態(tài)：x=0.1m，θ1=-0.1rad，θ2=0.1rad，仿真步長0.005，仿真時(shí)間5S。FFCGA-LQRFFCGA-LQRFFCGA-LQR上擺干擾純數(shù)字仿真階段，F(xiàn)FC的快速性和魯棒性有改進(jìn)，但是對(duì)于本設(shè)計(jì)，該控制策略是GA-LQR的一個(gè)有效性論證和對(duì)智能控制所作的一部探討，其實(shí)踐可行性有待進(jìn)一步的研究。Position（m）Angle2（rad）Angle2（rad）Times（S）Times（S）Times（S）5.2.3FusionFuzzyController仿6.總結(jié)與展望結(jié)論改進(jìn)SGA、構(gòu)造融合函數(shù)并設(shè)計(jì)模糊控制器、能量反饋原理分析一級(jí)、二級(jí)倒立擺建模與定量分析一級(jí)倒立擺能量反饋?zhàn)云饠[控制器、GA-LQR穩(wěn)擺控制器設(shè)計(jì)、離線仿真與硬件在回路控制二級(jí)倒立擺GA-LQR穩(wěn)擺控制器設(shè)計(jì)、離線仿真界面開發(fā)、離線仿真與硬件在回路控制二級(jí)倒立擺FusionFuzzyController設(shè)計(jì)與離線仿真展望基于FusionFuzzyController穩(wěn)擺控制的硬件在回路控制Matlab/GUI實(shí)時(shí)控制界面開發(fā)二級(jí)倒立擺的自起擺控制器設(shè)計(jì)416.總結(jié)與展望結(jié)論41主要參考文獻(xiàn)宋西蒙.倒立擺系統(tǒng)LQR—模糊控制算法研究[D],西安,西安電子科技大學(xué),2006.周端.倒立擺系統(tǒng)控制方法研究[D],武漢，華中科技大學(xué),2007.王小平,曹立明.遺傳算法理論、應(yīng)用與軟件實(shí)現(xiàn)[M],西安,西安交通大學(xué)出版社,2002,pp:17-145.孟巍.遺傳算法在倒立擺模糊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D],合肥,合肥工業(yè)大學(xué),2007.V．B．Nguyen·A．S．Morries.GeneticAlgorithmTunedFuzzyLogicControllerforaRobotArmwithTwo-linkFlexibilityandTwo-jointElasticity[J],IntellRobotSyst,2007,Vol49,pp:3-18.程武山.智能控制理論與應(yīng)用[M],上海,上海交通大學(xué)出版社,2006,pp:10-98.

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