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针对倒立摆摆起这类复杂非线性系统的优化控刺问题,提出了一种基于遗传算法的近似全局最优化的控制方法。在导轨长度和控制力受限的情况下,从倒立摆的物理特性出发,以摆杆进入上半平面前的最后一次角速度为零的时刻为分界时刻,将摆起过程分成两个阶段,分别使用自适应交叉、变异算子的遗传算法搜索每个阶段的最优控制决策,实现了1.9 s内一级倒立摆的成功摆起。这种方法可以简化控制规则,优化摆起时间,并使摆杆更加平稳地进入稳摆控制。仿真和实时控制实验,说明该方法是可行的。
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2010
年
9
月
第
17
卷第
5
期
文章编号
:1671
刁
848
(2010)
05
-0
614
心
4
拉制工程
Control
Engineering
of
China
基于分段遗传算法的倒立摆摆起控制研究
刘白雁,曾铺
(武汉科技大学机械自动化学院,武汉湖北
43
∞
81)
Sep.2010
Vo
l.
17
,
No.
5
摘
要:针对倒立摆摆起这类复杂非线性系统的优化控制问题,提出了一种基于遗传算
法的近似全局最优化的控制方法。在导轨长度和控制力受限的情况下,从倒立摆的物理特性
出发,以摆杆进入上半平面前的最后一次角速度为零的时刻为分界时刻,将摆起过程分成两
个阶段,分别使用自适应交叉、变异算子的遗传算法搜索每个阶段的最优控制决策,实现了
1.
9s
内一级倒立摆的成功摆起。这种方法可以简化控制规则,优化摆起时间,并使摆杆更加
平稳地进入稳摆控制。仿真和实时控制实验,说明该方法是可行的。
关键词:倒立摆;最优控制;遗传算法;优化
中图分类号:
TP 273
文献标识码
A
On Inverted Pendulum Swing-up Control
ßased
on Genetic Algorithm
UUB
α
i-
Y4
α n
,
ZENG Yong
(
College
of
Mechanical
Engineering
and
Automation
,
Wuhan
University
of
Science
and
Technology
,
Wuhan
43
∞
81
,
China)
Abstract:
To the optimal control problem of the inverted pendulum swing up , an approximate global optimization control method is put
forward based on the genetic algorithm. Under the limitation conditions of
raillength
and control force , the dividing moment is the final
time when the rotational speed is zero before the swing stem entered in the upper half plane
, and the pendulum swing-up course is divid-
ed into
two
stages according to the physical character of the pendulum.
Th
e genetic algorithms with self-adapting cross operators and var-
iation
operaωrs
are applied
ωresearch
the optimal control decision in each stage respectively.
Th
e single
inve
由
d
pendulum succeeds in
swing-up within
1.
9 s. This method could simplify the control rule, optimize the swing up time and put the swing stem in a more stable
swing control state. The simulation and real-time experiments show that the method is feasible.
Key
words:
inverted pendulum ; optimal control; genetic algorithm; optimization
1
51
言
倒立摆摆起和稳摆控制近年来已经成为控制领
域研究的热点。现有的大多数摆起控制方法,如仿
人智能控制的方法
[1]
、基于能量的摆起方法
[2]
以
及预测的方法
[3]
等,都是依据倒立摆的状态来判断
(或计算)当前应施加的控制力,对控制力本身不
做优化,其优化对象是用于决策的某些参数。也有
部分摆起方法,如摹矩阵方法问,将倒立摆摆起转
化为多段决策的最短路径问题来处理,是一种全局
寻优的方法。但是由于求解规模的限制,文献
[4]
只能保证在控制力只取两个边界值时获得可能的全
局最优解,而当控制力在许可范围内可任意取值
时,摹矩阵方法将因路径太多而难以应用。而使用
遗传算法寻优能够克服求解规模太大所带来的困
难,能有效地减少计算量,节省计算时间,可获得
收稿日期
2
∞
8-12
-û
l
;
收修定稿日期:
2009
-û
5
-û
6
控制力许可范围内可能的全局最优解。
2
小车倒立摆数学模型的建立
一级倒立摆系统抽象成小车和质量均匀的摆杆
组成,小车以向左方向运动为正,摆杆角度以自然
下垂位置为零点,逆时针为正,如图
1
所示。
-‘
-x--+
-胃、、
8_
+
圈
1
倒立摆示意固
Fi
g.
1 Single
pendulum
作者简介:刘白雁(1
957-)
,男,江西宜春人,教授,博士生导师,主要从事复杂机电液系统测控理论与技术、钻井控制等方面的教学
与科研工作。
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weixin_38653508
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