基于遺傳算法優(yōu)化的倒立擺LQR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.18萬(wàn)字 36頁(yè) 原創(chuàng)作品，已通過(guò)查重系統(tǒng)


摘 要

倒立擺是一個(gè)典型的控制理論研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，所以許多現(xiàn)代控制理論的研究人員試圖通過(guò)倒立擺來(lái)檢驗(yàn)新的控制方法是否有效，由此研究產(chǎn)生的方法和技術(shù)在導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、人工智能和一般工業(yè)應(yīng)用等多個(gè)方面均有著廣泛的應(yīng)用。
本文主要討論了直線一階倒立擺系統(tǒng)的建模、LQR控制器設(shè)計(jì)、基于遺傳算法的LQR控制器優(yōu)化，并進(jìn)行一系列simulink仿真以及固高科技倒立擺裝置的實(shí)時(shí)控制分析。首先，運(yùn)用牛頓-歐拉方法對(duì)直線一級(jí)倒立擺建立數(shù)學(xué)模型，以小車的位移、速度、擺桿與豎直向上的偏角、擺角變化速度作為四個(gè)狀態(tài)變量，從而得到倒立擺的狀態(tài)空間表達(dá)式。然后，在倒立擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)被控系統(tǒng)運(yùn)用LQR最優(yōu)控制進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)向量進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)擺桿豎直向上的垂直穩(wěn)定。最后，由于LQR最優(yōu)控制中Q和R矩陣的選擇很大程度上都依賴于經(jīng)驗(yàn)，需要不斷的試湊才能得到滿意的效果，本文嘗試應(yīng)用遺傳算法對(duì)Q和R的選取進(jìn)行優(yōu)化，給出了優(yōu)化算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟，結(jié)果表明遺傳算法優(yōu)化得到的控制器有著令人滿意的控制效果，并且極大的縮短了尋找合適Q和R矩陣的時(shí)間。


關(guān)鍵詞：倒立擺；LQR；遺傳算法；MATLAB仿真；實(shí)時(shí)控制