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倒立摆系统自适应神经网络学习算法的研究

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目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 倒立摆系统简介

1.3 课题研究目的和意义

1.4 国内外研究现状

1.5 论文主要内容及安排

1.5.1 主要内容

1.5.2 论文结构安排

2 倒立摆数学建模与定性分析

2.1 直线一级倒立摆的建模与分析

2.1.1 牛顿-欧拉方法建模

2.1.2 拉格朗日方法建模

2.1.3 系统性能分析

2.2 直线二级倒立摆的建模与分析

2.2.1 拉格朗日方法建模

2.2.2 系统性能分析

2.3 倒立摆系统硬软件简介

2.3.1 硬件组成结构

2.3.2 软件平台

3 倒立摆系统常用控制方法

3.1 一级倒立摆的PID控制

3.2 一级倒立摆的LQR控制

3.2.1 一级倒立摆的LQR控制基本原理

3.2.2 一级倒立摆的LQR仿真实验

3.2.3 一级倒立摆的LQR实时控制

3.3 二级倒立摆的LQR控制

3.3.1 二级倒立摆的LQR仿真实验

3.3.2 二级倒立摆的LQR实时控制

3.3.3 二级倒立摆的LQR抗干扰性研究

3.4 直线三级倒立摆LQR控制

3.4.1 直线三级倒立摆系统物理模型

3.4.2 直线三级倒立摆LQR仿真

4 倒立摆系统自适应神经网络模糊控制技术研究

4.1 神经网络

4.1.1 神经网络基本概念以及网络组成结构

4.1.2 神经网络学习算法

4.1.3 BP网络简介

4.1.4 神经网络的优良特性与泛化能力

4.2 模糊控制介绍

4.2.1 模糊逻辑控制数学基础

4.2.2 TSK模型(Takagi-Sugeno-Kang模型)

4.2.3 模糊推理系统

4.2.4 模糊系统存在问题

4.3 模糊神经网络控制

4.3.1 模糊神经网络的分类

4.3.2 Takagi-Sugeno模型结构与学习算法

4.4 自适应神经网络模糊推理系统概述

4.4.1 ANFIS结构

4.4.2 ANFIS控制方法及设计

4.4.3 MATLAB中ANFIS的图形用户界面

5 一级倒立摆自适应神经网络算法研究

5.1 一级倒立摆自适应神经网络控制器设计

5.2 一级倒立摆自适应神经网络控制仿真研究

5.3 一级倒立摆系统实时控制

6 二级倒立摆的自适应神经网络算法研究

6.1 二级倒立摆自适应神经网络控制器设计

6.2 二级倒立摆自适应神经网络控制仿真研究

6.3 二级倒立摆系统实时控制

6.4 二级倒立摆系统的抗干扰性研究

6.5 二级倒立摆自适应神经网络控制与LQR控制对比分析

7 结论

7.1 课题结论

7.2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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摘要

倒立摆系统作为一种典型的实验装置,它具有高阶次、非线性、不稳定、多变量、强耦合等特点,可以很好的验证控制理论,并且与工程中的控制对象具有类似结构,因此,倒立摆控制的研究在理论方面和航空应用领域都起着十分重要的作用,精确控制倒立摆系统对于各行业中复杂被控对象的控制具有广泛的实践指导意义。
   本文以深圳固高公司提供的直线型一级、二级和三级倒立摆为控制对象,在建立倒立摆系统数学模型的基础上,运用LQR控制方法和自适应神经网络控制方法,分别对一级、二级倒立摆进行了仿真和实时控制的研究。主要内容包括:分别采用牛顿力学方法和拉格朗日方程方法建立了一级、二级、三级倒立摆的数学模型,并对其进行定性分析。对于一级倒立摆进行LQR控制及PID控制的研究,对于二级、三级倒立摆进行LQR控制算法的研究,讨论加权矩阵Q、R的选取方法,并对一级、二级倒立摆进行仿真和实时控制,同时得到倒立摆系统稳定时的响应曲线,结果表明,LQR方法的控制结果是比较好的。采用自适应神经网络模糊推理(ANFIS)方法对一级、二级倒立摆进行控制,将神经网络控制与模糊控制相结合,用神经网络的学习能力去训练模糊控制器的隶属度函数和控制规则,提高了该模糊控制器的性能,达到自动调整模糊控制规则和隶属度函数的效果,并且通过综合系数来降低输入变量维数,减少控制规则,防止“规则爆炸”问题的出现。在模型参数改变时,自适应神经网络模糊推理系统有良好的适应能力,能够使小车抵抗外界干扰并且较准确的到达预定位置。 对一级、二级倒立摆系统进行了抗干扰性能研究,结果表明,基于自适应神经网络模糊推理系统的实物倒立摆不但实现了稳定控制,小车能较准确地到达预定位置,并且系统具有良好的抗干扰能力。

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