基于遺傳算法優(yōu)化的倒立擺LQR控制系統(tǒng)設計

1.18萬字 36頁 原創(chuàng)作品，已通過查重系統(tǒng)


摘 要

倒立擺是一個典型的控制理論研究實驗平臺。由于倒立擺控制系統(tǒng)是一個復雜、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倒立擺來檢驗新的控制方法是否有效，由此研究產(chǎn)生的方法和技術(shù)在導彈攔截控制系統(tǒng)、人工智能和一般工業(yè)應用等多個方面均有著廣泛的應用。
本文主要討論了直線一階倒立擺系統(tǒng)的建模、LQR控制器設計、基于遺傳算法的LQR控制器優(yōu)化，并進行一系列simulink仿真以及固高科技倒立擺裝置的實時控制分析。首先，運用牛頓-歐拉方法對直線一級倒立擺建立數(shù)學模型，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狀態(tài)變量，從而得到倒立擺的狀態(tài)空間表達式。然后，在倒立擺系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎上，對被控系統(tǒng)運用LQR最優(yōu)控制進行控制器設計，通過對系統(tǒng)狀態(tài)向量進行控制以實現(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，需要不斷的試湊才能得到滿意的效果，本文嘗試應用遺傳算法對Q和R的選取進行優(yōu)化，給出了優(yōu)化算法的具體實現(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矩陣的時間。


關鍵詞：倒立擺；LQR；遺傳算法；MATLAB仿真；實時控制