基于遗传算法的直线两级倒立摆控制毕设答辩ppt课件.ppt

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1、1智能控制算法研究及其在直线多智能控制算法研究及其在直线多级倒立摆中的实现级倒立摆中的实现08研：韩月娟导师：刘永信 教授模式识别与智能系统 2011.062 背景与意义背景与意义硬件与软件硬件与软件建模与定量建模与定量分析分析二级稳摆二级稳摆一级自起一级自起和稳摆和稳摆总结与展总结与展望望主要参考主要参考文献文献致谢致谢结束结束内容概要内容概要背景和意义背景和意义 背景背景 1971傅京孙提出智能控制，现今智能控制已由二元论：人工智能和控制论发展到四元论：人工智能、模糊集理论、运筹学与控制论。 智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分。 类型：专家控制、神经网络、模糊

2、控制、遗传算法学习控制。 3直线多级倒立摆GA与Fuzzy control Energy Control4直线平面环形复合二十世纪五十年代 ，（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级的倒立摆。n分类分类火箭垂直度控制n起源起源n意义意义 智能算法 倒立摆 更广泛的现实世界5双轮倒立摆卫星姿态调整双足机器人仿人杂技机器人绝对不稳定、高阶次、多变量，强耦合的非线性系统非线性、鲁棒性、镇定性、跟踪问题以及随动问题实践理论倒立摆系统控制算法倒立摆系统控制算法n稳摆控制稳摆控制经典：根轨迹、频域分析、PID线控：状态反馈，最优调节智能：模糊控制、神经网络控制、遗传算法n自起摆控制自起摆控制

3、 智能控制、能量反馈等6课题方案课题方案7能量反馈自起能量反馈自起GA-LQR稳摆稳摆离线仿真离线仿真硬件在回路控硬件在回路控制制GA-LQR稳摆稳摆降维模糊控制降维模糊控制离线仿真离线仿真Matlab/GUI界界面开发面开发离线仿真离线仿真硬件在回路控硬件在回路控制制一级一级二级二级2.硬件和软件环境硬件和软件环境n2.1 硬件硬件8运动控制卡运动控制卡伺服驱动器伺服驱动器伺服电机伺服电机倒立摆系统倒立摆系统位移编码器位移编码器角度编码器角度编码器计算机计算机计算机：dell PC机 512 M运动控制卡：固高公司GT-400-SV-PCI系列伺服系统： Panasonic公司MADDT12

4、05*交流伺服驱动与MSMD5AZS1S*系列交流伺服电机倒立摆系统：GLIP2003编码器： NIDEC NEMICON光电编码器n2.2 软件环境软件环境9NameVersionMatlab7.5.0Simulink7.0Real-Time Workshop7.0Real-Time Windows Target3.0Visual C+6.06.0(Enterprice)10n 2.3 硬件在回路实时控制过程硬件在回路实时控制过程硬件接口硬件接口监控界面监控界面参数实时观测参数实时观测和修改和修改数据存储数据存储PCI建模、仿真建模、仿真、时控、时控3.建模与定性分析建模与定性分析n3.1

5、一级倒立摆（一级倒立摆（GLIP2003系列）系列）11CartOyxLF08285.277235. 00100006293. 00883. 000010A3566. 208832. 00B443232TCACACACrankBABAABBrank)2730. 5 ,2785. 5,8725. 0, 0(牛顿力学牛顿力学特征根特征根不稳定不稳定能控能观能控能观参数物理意义参数值小车相对初始位置的位移m摆杆与竖直向下位置的夹角rad摆杆与竖直向上位置的夹角radM小车质量1.096kgm一级摆杆的质量0.109kgL一级摆杆的长度0.50ml一级摆杆轴心到质心的长度0.25mI一级摆杆惯量0.0

6、034kgm2b小车动摩擦系数0.1N/m/secx12Cart伺服伺服电机电机从动轮从动轮皮带皮带导轨导轨二级摆杆二级摆杆一级摆杆一级摆杆211O质量块质量块uxxxx088. 064. 6100000045.3931.40000062.2169.86000000010000001000000100021212121 uxxxy000000100000010000001212121)0438.10,0262. 5,0438.10,0262. 5 , 0 , 0(拉格朗日拉格朗日特征根特征根不稳定不稳定能控能观能控能观矩阵分析矩阵分析n 3.2 两级倒立摆两级倒立摆参数意义参数值M小车质量1.

7、096kgm1摆杆1质量0.05kgm2摆杆2质量0.13kgm3质量块质量0.295kgl1摆杆1中心到转动中心的距离0.0775ml2摆杆2中心到转动中心的距离0.25m1摆杆1与竖直方向的夹角Rad2摆杆2与竖直方向的夹角Radu倒立摆系统控制量Ng当地重力加速度9.8Nm/sec26654325432TCACACACACACBABABABAABB13实时控制视频4.直线一级倒立摆的自起摆和稳摆控制直线一级倒立摆的自起摆和稳摆控制自起和稳摆有扰动自起和稳摆带质量块自起控制器自起控制器输出状态输出状态稳摆控制器稳摆控制器一级倒立摆一级倒立摆Switch原理框图输入状态输入状态一n 4.1直

8、线一级自起摆控制器设计直线一级自起摆控制器设计 4.1.1自起摆过程分析自起摆过程分析 系统从自然平衡状态借助外力的作用转移到竖直向上位置14mglE20) 1(cos212mglJE)(0EEkuE欲使摆杆从自然平衡态转移到竖直向状态，且摆动速度接近0，需要的能量为：不受约束的倒立摆系统在摆杆处于任意角度时的能量为：与竖直向上位置的夹角利用能量反馈反馈系数反馈系数希望通过u使E快速接近E0 4.1.2 自起摆控制器设计自起摆控制器设计 15) 1(cos212mglJEcossin l xmmglJdtdE2mlIJxu 其中cossin mulmglJdtdE为了保证0dtdE借助李雅普诺

9、夫第二法构造能量标量函数20)(21EEVcos)(0mulEEdtdVcos)(0EEku20cos)(EEmlkdtdV20cos)(EEmlkdtdV始终有020dtdV单调递减令控制策略当该控制策略可以使E 逐渐接近E0有省略封装基于能量反馈的自起摆控制器16EndMdlstartMdlderivativesMdloutputMdlupdateMdloutputMdlterminateMdlderivativesC语言的S-Function实现0.05-0.64.2 一级倒立摆一级倒立摆GA-LQR稳摆控制稳摆控制17tftTTTdtRuuQXXFXXJ02121dtRuuQXXJTT

10、)(210KXPXBRuT1性能指标性能指标使得指标最小的控制规律使得指标最小的控制规律简化简化稳态误差为稳态误差为0传统方法是？课题的方案是？01QPBPBRPAPATT解得P4.2.1 LQR控制控制4.2.2 GA-LQR稳摆控制器设计稳摆控制器设计18待优化参数待优化参数Q和和R编码编码产生初始种群产生初始种群计算适应度函数值计算适应度函数值gen=0选择选择重组重组变异变异计算子代适应度函数值计算子代适应度函数值子代重插入子代重插入达到最大迭代次数达到最大迭代次数？优化后的优化后的Q和和Rgen=gen+1YNRuuQXXRQfTT1),( 50u(t)遗传算法寻优遗传算法寻优解解R

11、iccati方程方程解码解码-K倒立摆系统倒立摆系统输出输出YN迭代迭代结束结束？ X(t) 引入移民机制自适应交叉和变异率GA-LQR原理图原理图4321qqqqdiagQ rR 100001q1000,42qq50003q20r19初始化种群分布100次迭代终止 遗传算法初始种群和优化过程中的波形输出209227799906diagQ 5 . 1 R18.4091.311.7924.572K迭代终止后输出一级摆GA-LQR稳摆控制仿真模型21在GA-LQR稳摆控制策略下，车杆系统经过2S进入竖直向上平衡状态，小车几乎稳定在参考零点，摆杆稳定在竖直向上位置，系统稳态性能良好。Position

12、（m）Speed（m/s）Angle（rad）dAngle（rad/s）Times（S）Times（S）小车位移摆角4.2.3直线一级倒立摆稳摆控制仿真效果直线一级倒立摆稳摆控制仿真效果1.无干扰时无干扰时005. 000 xx2.施加干扰施加干扰22给摆杆施加0.01rad的摆动干扰小车位移和摆角曲线如图具有小幅干扰的车杆系统，小车为了跟随摆杆的变化趋势，会偏离初始参考零点3-4cm，摆杆在2S内稳定在竖直向上位置，系统的鲁棒性良好。Position（m）Angle（rad）Times（S）Times（S）小车位移摆角稳摆效果4.2.4 直线一级倒立摆系统实时控制直线一级倒立摆系统实时控制2

13、3实时控制模型实时控制参数设置0.251.无扰动无扰动242.对摆杆施加外力扰动对摆杆施加外力扰动小车位移摆角自起摆阶段稳摆阶段扰动Times（S）Position（m）Angle（rad）Times（S）Position（m）Angle（rad）Times（S）Position（m）Angle（rad）3.给系统加入质量块给系统加入质量块25无扰动施加扰动5.两级倒立摆的稳摆控制两级倒立摆的稳摆控制n 5.1 GA-LQR稳摆控制稳摆控制 二 遗传算法初始种群和优化过程中的波形输出26初始化种群分布20次迭代100次终止 GA-LQR 码串:7初始种群:60。 GA-LQR稳摆仿真控制模型与

14、参数275.05.06.01159.0780.5454.5diagQ 2R31.87-3.2216.92196.41-114.1215.07K5.1.1 Matlab/GUI仿真图形界面开发仿真图形界面开发28Run中的界面显示以GA-LQR二级为例5.1.2 GA-LQR稳摆控制仿真效果稳摆控制仿真效果 1不施加干扰时不施加干扰时.给定系统的初始状态： 仿真步长为0.005，仿真历时5S。 2900001. 0002121 xx000500300200diagQ 1 R28.8-3.015.53178.07-104.3114.14K蓝色曲线实验测试小车位移、一摆角度和二摆角度、小车移动速度、

15、一摆角速度和二摆角速度曲线如图所示：30Position（m）Speed（m/s）Times（S）Times（S）Angle1（rad）dAngle1（rad/s）Angle2（rad）dAngle2（rad/s）小车位移一摆摆角二摆摆角系统约2.5秒内达到平衡，小车移动范围：-2.5-2.5（cm），一摆摆角：-0.0125-0.025（rad），二摆摆角：-0.0075-0.01rad。体现GA-LQR控制稳定性和快速性。31 2.施加仿真干扰施加仿真干扰 仿真过程中给系统第二级摆杆施加-0.1rad/s0.1rad/s干 扰，此时小车的位移曲线和速度曲线如图所示：小车位移小车速度Posi

16、tion（m）Speed（m/s）Times（S）Times（S）施加干扰后，GA-LQR控制迅速使系统达到一个新的稳定状态，小车移动幅度为10cm左右，相对比试探法LQR效果要好一些，证明GA-LQR控制策略的很好的鲁棒性。32Times（S）Times（S）Position（m）Position（m）GA-LQR控制完全交给计算机处理，其高效性是显而易见的。小车位移干扰后位移3.在仿真实验中当通过试探法确定的一组权重参数是：在仿真实验中当通过试探法确定的一组权重参数是：000200200100diagQ 1 R20.94-3.728.56130.89-89.887.07K相同的仿真环境下小

17、车的位移和施加同上干扰干扰后小车的位移如图所示：5.1.3 GA-LQR稳摆实时控制稳摆实时控制33硬件在回路控制方框图34实时控制参数配置1.无干扰时的波形输出无干扰时的波形输出35Times（S）Position（m）Angle1（rad）Angle2（rad）系统在动态平衡状态时小车在0.05m范围内小幅移动，一级摆杆和二级摆杆存在约0.01rad偏角范围，在GA-LQR控制器作用下两级倒立摆系统表现出良好的快速性和稳定性。小车位移一摆摆角二摆摆角手扶阶段截取30s的waves2.有扰动：有扰动： 在30S和50S，分别给倒立摆系统的二级摆杆和一级摆杆施加随机的外力干扰36Positio

18、n（m）Angle1（rad）Angle2（rad）Times（S）给各摆杆施加外力干扰（代表一类随机过冲干扰），倒立摆系统输入控制力跟着增加以扩大小车的移动范围继续保持系统的动态平衡，这个调节过程在约2-3S内完成，系统在一个新的平衡点保持良好的运行状态，表现了很好的鲁棒性和镇定性。扰动5.2.1 融合函数构造融合函数构造 Y=F2F1(x):GA-LQR构造F1,接着设计F2。 3731.87-3.2216.92196.41-114.1215.07K22212222121000000)(KKKKKKKKKKKKXFxx22212222122KKKKKKKxx其中TXXFECE)(1E，EC

19、为模糊控制器的输入GA-LQRn5.2 Fusion Fuzzy ControlEC U 融合函数融合函数降维模糊控制降维模糊控制器器 倒立摆系统倒立摆系统Ke Kec Ku 原理框图5.2.2 经过融合函数降维的模糊稳摆控制器设计经过融合函数降维的模糊稳摆控制器设计38a. E和EC的模糊论域 -6 6， 定义7个模糊子集，分别用语言变量描述为：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。b. 定义隶属度函数E，EC的隶属度函数分布U的隶属度函数分布UECNBNMNSZOPSPMPBENBNBNBNMNMNMNSZONMNMNMNSNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPSZONSNSN

20、SZOPSPSPSPSNSNSZOPSPSPSPMPMNSZOPSPSPMPMPMPBZOPSPMPMPBPBPBc.建立模糊规则d.模糊推理决策：MamdaniUUcduuUuduuUu)()(面积重心39仿真控制模型5.2.3 Fusion Fuzzy Controller5.2.3 Fusion Fuzzy Controller仿真效果仿真效果40给定初始状态：x=0.1m，1=-0.1rad，2=0.1rad，仿真步长0.005，仿真时间5S。FFCGA-LQRFFCGA-LQRFFCGA-LQR上摆干扰纯数字仿真阶段，FFC的快速性和鲁棒性有改进，但是对于本设计，该控制策略是GA-L

21、QR的一个有效性论证和对智能控制所作的一部探讨，其实践可行性有待进一步的研究。Position（m）Angle2（rad）Angle2（rad）Times（S）Times（S）Times（S）6.总结与展望总结与展望n结论结论1.改进SGA、构造融合函数并设计模糊控制器、能量反馈原理分析2.一级、二级倒立摆建模与定量分析3.一级倒立摆能量反馈自起摆控制器、GA-LQR稳摆控制器设计、离线仿真与硬件在回路控制4.二级倒立摆GA-LQR稳摆控制器设计、离线仿真界面开发、离线仿真与硬件在回路控制5.二级倒立摆Fusion Fuzzy Controller设计与离线仿真n展望展望1.基于Fusion

22、Fuzzy Controller 稳摆控制的硬件在回路控制2.Matlab/GUI实时控制界面开发3.二级倒立摆的自起摆控制器设计41主要参考文献主要参考文献n宋西蒙. 倒立摆系统LQR模糊控制算法研究D, 西安, 西安电子科技大学, 2006.n周端. 倒立摆系统控制方法研究D, 武汉，华中科技大学, 2007.n王小平, 曹立明. 遗传算法理论、应用与软件实现M, 西安, 西安交通大学出版社, 2002, pp:17-145.n孟巍. 遗传算法在倒立摆模糊控制系统中的应用研究D, 合肥, 合肥工业大学, 2007.nVBNguyenASMorries. Genetic Algorithm

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26、zy Control Of Double Stages Inverted Pendulum SystemC. Proceedings of The 19th Chinese Control Conference, 6-8 December 2000, Hong Kong,China. Pp:286-287.43致谢致谢 本论文从选题之初以及在设计的过程中到最后的完成极端得到刘老师的悉心指导，在此谨向他表达我最诚挚的敬意和最深深的谢意。 感谢父母给予我无私的关怀与照顾。 感谢814实验室的各位师兄、师姐、师弟、师妹、同门的鼓励与支持。 感谢在座的每一位老师对我的帮助与指导！ 44读研期间所发表的

27、论文与参与的项目读研期间所发表的论文与参与的项目所发表论文所发表论文nHan Yue-juan, Liu Yong-xin. One Rod Inverted Pendulum Controller Design Based on Self-Adaptive Fuzzy PID With Fuzzy. The 8th World Congress on Intelligent Control and Automation. 2010. (EI检索号：20104313325770).nHan Yue-juan, Liu Yong-xin. Reduced-Dimensional Fuzzy Co

28、ntroller Design Based on Fusion Function and Application in Double Inverted Pendulum. 2010 2nd International Conference on Industrial Mechatronics and Automation. 2010, (2). (EI检索号：20103613212468).所参与项目所参与项目n 视频图像人体运动分析的研究，教育部重点项目，项目号：204031。n内蒙古大学资助研究生科研项目，异步电机模糊PI串级调速系统的设计与仿真，项目编号：2-1.2.1-074。n内蒙古大学资助研究生科研项目，基于视频导航的轮式机器人设计与实现，项目编号：2-1.2.1-001，已完成。45