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。

相关文章
|
1天前
|
算法
基于排队理论的客户结账等待时间MATLAB模拟仿真
本程序基于排队理论,使用MATLAB2022A模拟客户结账等待时间,分析平均队长、等待时长、不能结账概率、损失顾客数等关键指标。核心算法采用泊松分布和指数分布模型,研究顾客到达和服务过程对系统性能的影响,适用于银行、超市等多个领域。通过仿真,优化服务效率,减少顾客等待时间。
|
1天前
|
算法
基于电导增量MPPT控制算法的光伏发电系统simulink建模与仿真
本课题基于电导增量MPPT控制算法,使用MATLAB2022a的Simulink进行光伏发电系统的建模与仿真,输出系统电流、电压及功率。电导增量调制(IC)算法通过检测电压和电流变化率,实时调整光伏阵列工作点,确保其在不同光照和温度条件下始终处于最大功率输出状态。仿真结果展示了该算法的有效性,并结合PWM技术调节逆变流器占空比,提高系统效率和稳定性。
|
2天前
|
机器学习/深度学习 数据采集 算法
基于GWO灰狼优化的CNN-GRU-SAM网络时间序列回归预测算法matlab仿真
本项目基于MATLAB2022a,展示了时间序列预测算法的运行效果(无水印)。核心程序包含详细中文注释和操作视频。算法采用CNN-GRU-SAM网络,结合灰狼优化(GWO),通过卷积层提取局部特征、GRU处理长期依赖、自注意力机制捕捉全局特征,最终实现复杂非线性时间序列的高效预测。
|
20小时前
|
算法
基于SOA海鸥优化算法的三维曲面最高点搜索matlab仿真
本程序基于海鸥优化算法(SOA)进行三维曲面最高点搜索的MATLAB仿真,输出收敛曲线和搜索结果。使用MATLAB2022A版本运行,核心代码实现种群初始化、适应度计算、交叉变异等操作。SOA模拟海鸥觅食行为,通过搜索飞行、跟随飞行和掠食飞行三种策略高效探索解空间,找到全局最优解。
|
19小时前
|
算法 数据可视化 数据安全/隐私保护
一级倒立摆平衡控制系统MATLAB仿真,可显示倒立摆平衡动画,对比极点配置,线性二次型,PID,PI及PD五种算法
本课题基于MATLAB对一级倒立摆控制系统进行升级仿真,增加了PI、PD控制器,并对比了极点配置、线性二次型、PID、PI及PD五种算法的控制效果。通过GUI界面显示倒立摆动画和控制输出曲线,展示了不同控制器在偏转角和小车位移变化上的性能差异。理论部分介绍了倒立摆系统的力学模型,包括小车和杆的动力学方程。核心程序实现了不同控制算法的选择与仿真结果的可视化。
24 13
|
6月前
|
安全
【2023高教社杯】D题 圈养湖羊的空间利用率 问题分析、数学模型及MATLAB代码
本文介绍了2023年高教社杯数学建模竞赛D题的圈养湖羊空间利用率问题,包括问题分析、数学模型建立和MATLAB代码实现,旨在优化养殖场的生产计划和空间利用效率。
272 6
【2023高教社杯】D题 圈养湖羊的空间利用率 问题分析、数学模型及MATLAB代码
|
6月前
|
存储 算法 搜索推荐
【2022年华为杯数学建模】B题 方形件组批优化问题 方案及MATLAB代码实现
本文提供了2022年华为杯数学建模竞赛B题的详细方案和MATLAB代码实现,包括方形件组批优化问题和排样优化问题,以及相关数学模型的建立和求解方法。
162 3
【2022年华为杯数学建模】B题 方形件组批优化问题 方案及MATLAB代码实现
|
6月前
|
数据采集 存储 移动开发
【2023五一杯数学建模】 B题 快递需求分析问题 建模方案及MATLAB实现代码
本文介绍了2023年五一杯数学建模竞赛B题的解题方法,详细阐述了如何通过数学建模和MATLAB编程来分析快递需求、预测运输数量、优化运输成本,并估计固定和非固定需求,提供了完整的建模方案和代码实现。
138 0
【2023五一杯数学建模】 B题 快递需求分析问题 建模方案及MATLAB实现代码
|
9月前
|
数据安全/隐私保护
耐震时程曲线,matlab代码,自定义反应谱与地震波,优化源代码,地震波耐震时程曲线
地震波格式转换、时程转换、峰值调整、规范反应谱、计算反应谱、计算持时、生成人工波、时频域转换、数据滤波、基线校正、Arias截波、傅里叶变换、耐震时程曲线、脉冲波合成与提取、三联反应谱、地震动参数、延性反应谱、地震波缩尺、功率谱密度
基于混合整数规划的微网储能电池容量规划(matlab代码)
基于混合整数规划的微网储能电池容量规划(matlab代码)