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本质不稳定两轮车辅助平衡装置的智能控制

作　者: 叶聪红
导　师: 屈胜利
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 两轮自平衡小车模糊控制神经网络控制自适应神经模糊控制动态模糊控制
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 228次
引　用: 4次
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内容摘要

本质不稳定两轮车是一种特殊轮式移动机器人,其动力学方程是一多变量、严重不稳定、耦合、时变、参数不确定的非线性高阶方程,加上运动学方程中的非完整性约束,要求完成的控制任务也具有多重性。因此这类系统对控制理论提出了很大的挑战,是检验各种控制方法处理能力的典型装置。两轮车作为一种研究装置,可在上面进行不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智能控制等研究。而且两轮自平衡小车也是一种便利的交通工具,具有较强的实用价值。作为一个复杂的非线性系统,传统的控制方法对本质不稳定两轮小车的平衡控制已经得不到一个很好的控制效果,因此本文第一部分总结了模糊控制、神经网络控制及模糊神经网络的研究现状,提出了一种以智能控制理论为基础的控制策略。第二部分首先给出了本质不稳定两轮小车的系统结构和非线性数学模型,并对其在零点进行了线性化得到线性模型。在对其稳定性和能控性进行了分析之后,设计了系统在线性化范围内的状态反馈控制器。第三部分先在零点和其附近对称的两点分别设计的状态反馈控制器控制小车的非线性模型,取得自适应神经-模糊推理系统所需学习数据,并以通过神经网络学习得出的模糊控制器来控制小车的平衡。然而自适应神经模糊推理系统得出的模糊逻辑在短期内是静态的,为了使控制器具有动态性,引进了动态模糊控制器,将其应用到两轮不平衡小车上的平衡控制上。最后利用MATLAB分别仿真了三个控制系统,比较了三者在控制两轮平衡小车时的性能,结果表明动态模糊控制器的总体性能最好,模糊神经自适应控制器次之,但都明显优于状态反馈控制器。

全文目录

创新性声明  2
关于论文使用授权的说明  2-3
摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-11
  1.1 本质不稳定两轮车的研究意义  7
  1.2 智能控制概述  7-10
    1.2.1 神经网络理论概述  8-9
    1.2.2 模糊理论概述  9-10
  1.3 本文工作  10-11
第二章神经网络控制理论  11-23
  2.1 神经网络的概述  11-15
    2.1.1 神经元模型  11-13
    2.1.2 神经网络结构  13-14
    2.1.3 神经网络的学习  14-15
  2.2 BP 神经网络  15-21
    2.2.1 BP 网络模型结构  16
    2.2.2 BP 网络误差反传学习算法  16-21
  2.3 神经网络控制  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章模糊控制理论  23-37
  3.1 模糊集合  23-28
    3.1.1 模糊集合与隶属度函数  23-26
    3.1.2 模糊集合运算与模糊关系  26-28
  3.2 模糊推理  28-30
  3.3 模糊推理系统  30-33
    3.3.1 Sugeno 模糊模型  30-31
    3.3.2 Mamdani 模糊模型  31-32
    3.3.3 输入空间的划分  32-33
  3.4 模糊控制系统  33-36
    3.4.1 模糊控制系统的组成  33-35
    3.4.2 模糊控制器的设计原则  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章模糊神经网络控制理论与动态模糊控制理论  37-43
  4.1 模糊神经网络控制  37-40
    4.1.1 神经网络实现模糊控制的基本原理  37-38
    4.1.2 模糊神经网络控制的特点  38
    4.1.3 ANFIS:自适应神经-模糊推理系统  38-40
  4.2 动态模糊控制器  40-42
  4.3 本章小结  42-43
第五章两轮自平衡小车的控制器设计  43-59
  5.1 二轮机器人发展现状  43-45
    5.1.1 机器人的定义及其研究意义  43
    5.1.2 二轮机器人的发展历程及现状  43-45
  5.2 两轮自平衡小车的系统简介  45-48
    5.2.1 两轮自平衡小车的结构组成  45-46
    5.2.2 两轮自平衡小车的数学模型  46-48
  5.3 两轮自平衡小车的状态反馈控制  48-50
  5.4 两轮自平衡小车的模糊神经自适应控制  50-54
  5.5 两轮自平衡小车的动态模糊控制  54-55
  5.6 三种控制器控制结果比较  55-57
  5.7 本章小结  57-59
结束语  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-65
研究成果  65

本质不稳定两轮车辅助平衡装置的智能控制

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