基于模糊控制算法的倒立摆控制系统matlab仿真

简介: 本项目构建了一个基于模糊控制算法的倒立摆控制系统,利用MATLAB 2022a实现了从不稳定到稳定状态的转变,并输出了相应的动画和收敛过程。模糊控制器通过对小车位置与摆的角度误差及其变化量进行模糊化处理,依据预设的模糊规则库进行模糊推理并最终去模糊化为精确的控制量,成功地使倒立摆维持在直立位置。该方法无需精确数学模型,适用于处理系统的非线性和不确定性。

1.课题概述
基于模糊控制算法的倒立摆控制系统,模糊规则,模糊控制器等通过MATLAB编程实现,通过模糊控制器对小车倒立摆平衡系统进行控制,输出倒立摆从不稳定到稳定的动画过程,最后输出小车,倒立摆的收敛过程。

2.系统仿真结果

1.png
2.png
3.png
4.png
5.png

3.核心程序与模型
版本:MATLAB2022a

```for ij=Ts:Ts:Tend
% 计算小车位置误差
ex = xp - X(1);
% 计算小车位置误差变化量
dex = Xt - X(1);
% 计算摆角度误差
eq = qp - X(3);
% 计算摆角度误差变化量
deq = Qt - X(3);

% 模糊控制(u_x:小车位置,u_q:摆角度)
tmp1    = func_check(ex/xn, dex/xdn);
tmp2    = func_check(eq/qn, deq/qdn);
Fr_tmp1 = func_fuzzy_rule(tmp1);
Fr_tmp2 = func_fuzzy_rule(tmp2);
Fr_dtmp1= func_defuzzy(Fr_tmp1);
Fr_dtmp2= func_defuzzy(Fr_tmp2);
u_x     = Fr_dtmp1 * Un*1;
u_q     = Fr_dtmp2 * Un*2;

Uset(ic,:) = [u_x, u_q];% 保存控制量  
% 计算外力F  
F       = -u_x + u_q;
% 更新上一次的位置和角度  
Xt      = X(1);
Qt      = X(3);
% 使用ode45求解摆的下一个状态 
[T, X_next] = ode45(@func_pendulum, [0, Ts], X);
% 更新当前状态X  
X       = X_next(end,:)';
% 保存当前状态到X_Fuzzy  
Xf(ic,:)= X';
% 保存当前时间到time_Fuzzy 
Tf(ic)  = ij;
% 保存当前外力F到F_save  
Fset(ic)= F;
% 更新计数器  
ic      = ic + 1;   

end

figure
plot(Time_result, X_result(:,1:2),'linewidth',2)
grid on
xlabel('Time [s]')
legend('小车位置[m]','小车速度[m/s]')

figure
plot(Time_result, X_result(:,3:4)*180/pi,'linewidth',2)
grid on
xlabel('Time [s]')
legend('摆角', '摆锤速度')

figure
plot(Time_result, Fset,'b','linewidth',2)
hold on
plot(Time_result, Uset(:,1),'r','linewidth',2)
hold on
plot(Time_result, Uset(:,2),'m','linewidth',2)
grid on
xlabel('Time [s]')
ylabel('力[N]')
legend('输入F', 'U_x', 'U_q')
0006

```

4.系统原理简介
倒立摆是一个经典的控制问题,其目标是保持摆在垂直位置。由于其非线性、不稳定特性,传统控制方法往往难以实现理想效果。模糊控制作为一种先进的控制策略,能够处理不确定性和非线性问题,因此在倒立摆控制中具有显著优势。

4.1. 模糊控制算法原理
模糊控制是基于模糊集合理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识表示和推理方式。它模仿人的模糊思维方式和决策过程,不需要建立精确的数学模型。其核心组成包括:

模糊化:将输入量转化为模糊量,用隶属度函数表示。
μA(x)

其中,A 为模糊集合,x 为具体值,μA(x) 表示 x 对 A 的隶属度。

规则库:根据专家经验或数据,建立模糊规则,如“IF-THEN”规则。

模糊推理:基于规则库和当前模糊输入,进行推理得到模糊输出。

去模糊化:将模糊输出转化为精确量,常见的去模糊化方法有最大隶属度法、重心法等。

4.2. 倒立摆控制系统设计
对于倒立摆,我们定义其角度为 θ,角速度为 ω。控制目标是使得 θ 接近 0。设计模糊控制器如下:

输入:e=θ−θd e = θ - θ_de=θ−θd(角度误差)和 ec=ω−ωd ec = ω - ω_dec=ω−ωd(角速度误差)。

输出:u(控制力)。

模糊化:e 和 ec 的论域为 [-3, 3],u 的论域为 [-1, 1]。选择三角形或高斯型隶属度函数。

规则库:根据经验和试验,建立如下规则(仅举例):

如果 e 是负大且 ec 是负大,则 u 是正大。
如果 e 是零且 ec 是零,则 u 是零。
如果 e 是正大且 ec 是正大,则 u 是负大。

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