【doc】量化因子对二级倒立摆模糊控制器性能的影响

【doc】量化因子对二级倒立摆模糊控制器性能的影响 量化因子对二级倒立摆模糊控制器性能的 影响 第l3卷第4期 2000年12月 模式识别与人工智能 PR&AI 量化因子对二级倒立摆模糊控制器性能的影响 刘春生吴庆宪邹新生胡寿松 (南京航空航天丈学自动控制系南京210016) '1f2];L}【l 摘要本文研究了模糊控制器量化因子对二缎倒立摆模糊控制器性能的影响,提出 了选择量化因子的一些基本 方法,准则通过比较,分析,以及对二级倒立摆系统的成功控制,可知本文提出的方 法,准则是合理的本文最后绐 出了在本文方法确定的量化因子作用下的模糊控制器与某文献模糊控制算法控 制教果的比较,仿真结果显示了本 文方法的有效性, 关键词堡塑苎,三塑皇堡,比例因子 中图法分羹号TP273 1引言 挂 近年来,模糊逻辑控制(FLC)的应用在数量上 有了很大增加,越来越多的人认识到FLC和模糊一 神经控制可能为分析和控制复杂系统提供一个新方 法目前,还不存在寻找模糊控制规则和确定量化因 子的一般方法,这严重制约着模糊控制理论的进一 步发展.对于象二级倒立摆这样的高阶非线性不稳 定系统,量化因子的正确选择起着决定性的作用.本 文就设计和实现二级倒立摆模糊控制器的一些体 会,探讨模糊控制量化因子对控制性能的影响. 2二级倒立摆模糊控制器结构] 为丁提高控制系统的稳态精度,本文采用连续 型模糊控制算法. 二级倒立摆模糊控制器如图1所示. 图1中模糊控制器有两个输入,即综合变量E 和EC;一个输出,即控制量";三个量化因子, 和…图1中 收稿日期:200{}一0413 鼍<v~g- E:KTx=:123]I EC=Kx:[456] 其中l,2.3,,774,_r5,6分别为r,1,口2一l,, 1,自2一al,是二级倒立摆的六个状态变量,K= [t23456]为状态反馈系数. 图1二级倒立摆模糊控制器结构 4O 枷 ,. nV O 一 ? r_J叫zrr???L 4期刘春生等:量化因子对二级倒立摆模糊控制器性能的影响405 3模糊控制器量化因子的确定方 法 在本文模糊控制器的设计过程中,对控制器的 绝大部分都采用了先按照经验选择参数,使倒 立摆系统至少在某一段时间内稳定,再用单纯形法 寻优这一设计思想. 总的来讲,相对于系统的稳态而言,根据系统的 初态确定的量化因子一般较小,可能造成死区,有时 不明显,有时会现出来,如在平衡点附近出现小的 波动,振荡,等等因此,为了提高系统性能,有必要 在平衡点附近切换量化因子. 在本文的实际应用中…kk是可以实时改变 的. 当E?E时,k=k1;当E<E时, k=k;. 当EC?ECd时,k=k1;当EC< ECm时,k=. 4模糊控制量化因子对控制性能 的影响 在调试二级倒立摆模糊控制器参数的过程中, 经过大量的仿真和分析,得到了量化因子和系统性 能的如下关系. 41k对二级倒立摆模糊控制系统性能的影响 (1)k,越大,系统上升速率越快,模糊控制器的 死区越小,系统分辨率越高. 图2k合适图3k过大图4k过小 (2)k,过大,系统上升速率过快,模糊控制器第 二个输入FLCin2(相当于误差变化率)迅速进入 饱和区,使得模糊控制系统长期工作于饱和状态,结 果产生振荡,甚至使系统不稳定如图2所示的稳定 系统在k过大时成为如图3所示的不稳定系统. (3)k过小,系统上升速率过小,也会产生振 荡,甚至使系统不稳定如图2所示的稳定系统在k 过小时,成为如图4所示的临界稳定系统 4.2k对二级倒立摆模糊控制系统性能的影响 k对二级倒立摆系统稳定性的影响没有k显 着,但对模糊控制器控制品质仍有很大影响,尤其当 和k配合调整时往往会收到很好的效果 (1)k越大,对系统状态变化的抑制能力增大, 增加系统的稳定性例如,图3所示的不稳定控制器 参数,在增大k后变为稳定控制器.如图5所示图 3和图5也说明…kk应一起调整. (2)k过大,系统输出上升速率过小,系统的过 渡过程时间变长 (3)k,过小,系统输出上升速率过大,可能导致 系统输出产生过大的超调和振荡 图5k大增加系统的稳定性图6k大改善系统 控制救果 4.3k对二级倒立摆模糊控制系统性能的影响 k对模糊控制器输出量的作用比k…k更为直 接.固定k,k的值,改变k…k对系统控制器的输 出"的影响较大,k增大,系统超调量随着增大,动 态过程加陕;反之,k.,减小,系统超调量减小,动态 过程变慢k的可调范围比较小,太大和太小的^ 都会使系统不稳定,系统响应对k的变化很敏感 为了便于寻优,在二级倒立摆控制器的实际应用中, 将k.,取为定值. (1)k增大,系统的控制量相应增大,系统响应 速度加快. (2)k过大,会导致系统控制量过大,从而产生 鞫 器目 模式识别与人工智能l3卷 较大的超调乃至振荡和发散. (3)女过小,二级倒立摆系统欠控制,快速性变 差,稳态精度变差,严重时也会导致发散.如图3所 示的不稳定控制器,在适当增大后成为如图6所 示的稳定控制器. (4)一般而言,在确定二级倒立摆模糊控制器 量化因子时,总是先确定以使得模糊控制器的 输出量在一个较合适的数量级上. 44闽值对二级倒立摆模糊控制系统性能的影响 阈值E^,EC,的选择对于二级倒立摆 模糊控制器的性能也会产生一定影响若阚值不合 适,系统的超调等性能会变差,并出现毛刺. 总的来讲,对于二级倒立摆较大的状态初值.量 化因子女,不宜太大,阈值E和EC,.选 择范围可大一些.的选择是适度,一般而言,,, 女大则应小一些;反之亦然 结论 对于二级倒立摆的模糊控制而言,是否正确选 择了量化因子直接关系到模糊控制器设计的成败 尤其是女和对模糊控制器的性能起着决定性的 影响,只有将模糊控制器的量化因子综合考虑,设计 之后,模糊控制器才会发挥出最佳性能图7是本文 中量化因子经过调整,寻优后模糊控制器的控制效 果(实线所示)与文献[1]中控制算法(虚线所示)的 仿真对比,可以看出,本文的控制算法明显优于文献 1]中控制算法. ;孚习.}—?—卡————卞——言_—广— 图7量化因子寻优后本文控制算法与文献[1]模糊控 制算法比较 参考文献 1]程福雁.钟国民,李友善二缎倒立摆的参变量模糊控制信息与 控制.1995,24(3):189—192 2JChengFtty~,ZkxmgGuam.,Il1Yo~han.XuZhengmingFuzzy RuleControlforaDUnstableSystem控制理论与应用.1995.12 (S):583—5? 3】程福雁.钟国民,车友善参变量模糊控制绝对不稳定系统无线 电工程.1994,24(3):4552 4】邹新生二圾倒立摆数字控制器的设计与实现硕士学位 南京:南京航空航天大学.2000 SCALEFACTORS'INFLUENCEONTHEPERFORMANCEOFAFUZZY LOGICCONTROLLERFORADOUBLEINVERTEDPENDULUM LiuChunsheng,WuQingxian,ZouXinsheng,HuShousong (Department.,AutomaticControl,Naling【T 把.,Aeronautics&Astronautics,Naing210016) ABSTRACT Inthispaper,theinfluenceofscalefactorsontheperformance0{aFuzzyLogicControUerfora double invertedpendulumisdiscussed.Somebasiccriteriaofselectingthescalingfactorsaresuggest ed.The performanceofFuzzyLogicControlerproposedinthispaperiscomparedwiththatinotherlite rature KeyWordsFuzzyControl,DoubleInvertedPendulum,ScaleFactor