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为了提高二级倒立摆系统实时控制的响应速度和稳定性,在设计Mamdani型模糊推理规则控制器控制倒立摆系统稳定的基础上,设计了一种更有效率的基于Sugeno型模糊推理规则的模糊神经网络控制器。该控制器使用BP神经网络和最小二乘法的混合算法进行参数训练,能够准确归纳输入输出量的模糊隶属度函数和模糊逻辑规则。通过与Mamdani型控制器的仿真对比及实际控制实验结果,表明该Sugeno型模糊神经网络控制器对二级倒立摆实验装置的控制具有良好的稳定性、快速性和较高的控制精度。
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2009
年
7
月
第
16
卷第
4
期
控制工程
Control
Engineering
of
China
Jul
.
20
0 9
Vo
l.
16
,
No.
4
文章编号:
1671-7848
(2009)
04
-04
58
-0
3
二级倒立摆的
Sugeno
型模糊神经网络控制
李平,张重阳,陶文华,姚凌虹
(辽宁石油化工大学信息与控制工程学院,辽宁抚顺
113001
)
摘
要:为了提高二级倒立摆系统实时控制的响应速度和稳定性,在设计
Mamdani
型模糊
推理规则控制器控制倒立摆系统稳定的基础上,设计了一种更有效率的基于
Sugeno
型模糊推理
规则的模糊神经网络控制器。该控制器使用
BP
神经网络和最小二来法的混合算法进行参数训
练,能够准确归纳输入输出量的模糊隶属度函数和模糊逻辑规则。通过与
Mamdani
型控制器的
仿真对比及实际控制实验结采,表明该
Sugeno
型模糊神经网络控制器对二级倒立摆实验装直的
控制具有良好的稳定性、快速性和较高的控制精度。
关键词:二级倒立摆;
Mamdani
推理规则;模糊神经网络
;Sugeno
推理规则
中图分类号
:TP
183
文献标识码
:A
Sugeno
Fuzzy
Neural
Network
Control
for
Double Inverted Pendulum
LI
Ping , ZHANG Chong-yang ,
TAO
Wen-hu
α
,
YAO
Ling-hong
(School
of
Information
and
Con
lI咀
1
Engineering ,
Liaoning
Shihua
University
,
Fushun
113001
, China)
Abstract:
To
improve the response speed and the stability of double inverted pendulum system in real-time control , a Sugeno fuzzy neu-
ral network controller is designed based on a Mamdani fuzzy controller which
can
stably control the double inverted pendulum system. A
BP network with the least
square
method is used to train the Sugeno fuzzy neural network controller. The membership functions and fuzzy
logic rules of
the
input and output variables are modified. The simulation results
and
real-time control experiment show that the Sugeno
fuzzy neural network controller has better stability
, quicker response and higher control precision as compared with the Mamdani fuzzy
controlle
r.
Key
words:
double inverted
pendulum;
Mamdani inference
rule;
fuzzy neural network; Sugeno inference rule
1
引
士一同
倒立摆系统是一种非线性、多变量、强搞合、
不稳定的实验装置,是常被用来验证各种控制算法
如经典和现代控制理论、模糊控制[
1.2]
、神经网络
算法
[3]
、预测控制
[4]
等的理想实验对象。模糊控制
具有元需精确的被控对象模型,规则设计简便易用
等优点,在工程项目上得到了广泛的应用,但对于
控制多个变量的多级倒立摆来说,会遇到模糊规则
爆炸的问题。
文献
[5
J
应用状态变量合成模糊控制方法,较
好地解决了此问题。
BP
神经网络算法在目前倒立
摆控制算法研究中应用较广泛,但缺点是收敛速度
慢、易导致局部极值。文献
[6J
应用
BP
算法和遗
传算法相结合来调整和优化神经网络参数,以及文
献
[7
J
采用
BP
算法和模糊相似度度量来同时学习
神经网络参数和结构的算法控制单级倒立摆,避免
了
BP
算法局部极值的缺点。
针对二级倒立摆系统,本文提出了一种设计
3
个
Sugeno
型
[8]
的模糊神经网络控制器并联的控制
方案。
2
二级倒立摆数学模型
本文采用
GLIP-2002
型二级倒立摆实验装置进
行仿真和实时控制实验。
已知该装置各个部件的参数,用拉格朗日方法
建立数学模型,设系统各变量在平衡位置为零,使
其在平衡位置进行泰勒级数展开并线性化,得其数
学模型如下:
(1)
Y=Cx
O
O O
O O
O
O O
O
1
O
式中
,
A
=1
~
O O
O O
O O
O
O O
O
86.69 - 2
1.
62 O O O
o
-40.31
39.45 O
O O
收稿日期:
2
∞
8
-0
3
町
13;
收修定稿日期:
2008
-0
5-27
基金项目:国家
863
计划基金资助项目
(2007AA04Z162)
;辽宁省高校创新团队支持计划基金资助项目
(2006
四
89)
作者简介:李
平(1
964-
),男,湖南涟源人,教授,博士生导师,主要从事工业过程的先进控制与优化等方面的教学与科研工作。
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