基于MATLAB的智能控制系统的介绍与设计实例10104045

1、湖北第二师范学院自动控制原理 学院：物理与机电工程学院 专业：电子信息科学与技术 学号：1350720013 姓名：黄肖基本控制规律的特征及经典应用摘 要：人类社会的发展离不开自动控制的发展，二者有着密切的联系。迄今为止，自动控制科学不仅对整个科学技术作出了非常重要的贡献，也为人类社会带来很多效益。本文简要介绍了自动控制的原理，并对自动控制在人们生活中的几点应用做分析。.com关键词 ：自动控制；原理；应用，MATLAB1.概述人类社会的发展离不开自动控制的发展，二者有着密切的联系。研究自动控制技术对于人类来说从危险、复杂与烦琐的劳动环境中解放出来十分有利，而且还可以大大的提高劳动效率。迄今为

2、止，自动控制科学不仅对整个科学技术作出了非常重要的贡献，也为人类社会带来很多效益。但是随着现代科学技术的不断发展，人们又对自动控制与系统工程提出了更多更新更高的要求。自动控制理论与系统工程正面临新的发展机遇与严峻挑战。12.智能控制系统的理论知识1.智能控制系统的基本功能特点容错性对复杂系统(如非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等)能进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。多模态性定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制。全局性从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系统。混合模型和混合计算对象是以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程，人的智能在控制中起着协调作用，系统在

3、信息处理上既有数学运算，又有逻辑和知识推理。学习和联想记忆能力对一个过程或未知环境所提供的信息，系统具有进行识别记忆、学习，并利用积累的经验进一步改善系统的性能和能力。动态自适应性对外界环境变化及不确定性的出现，系统具有修正或重构自身结构和参数的能力。组织协调能力对于复杂任务和分散的传感信息，系统具有自组织和协调能力，体现出系统的主动性和灵活性。尽管最初人们认为智能控制是自动控制理论与人工智能与运筹学的结合，但事实上，智能控制是一门仍在不断丰富和发展中的具有众多学科集成特点的科学与技术。它不仅包含了AC、AI、OR、系统理论的内容，而且还从生物学、生理学、心理学、协同学及人类知识理论等学科中吸

4、取了丰富的营养。目前，在世界范周内，智能控制和智能自动化科学与技术正在成为自动化领域中最兴旺和发展最迅速的一个分支学科，并被许多发达国家确认为面向21世纪和提高国家竞争力的核心技术。智能控制系统(Imelligent Control System)：智能控制系统是具有某种程度自治性的控制系统。智能控制方法(Intelligent Control Methodology)：利用旨在模拟人、动物或生物系统功能的技术或过程来为动态系统构造或实现控制、以达到预定要求的控制方法的集合。2.智能控制系统的特征处理各种不确定性、定性信息和数据结构的能力。处理非结构化信息和数据的能力。对具有高度抽象性的离散符

5、号指令作出响应的能力。辩识主控系统结构或构成、变化的能力。处理和利用各种不同性质的知识的能力。根据主控系统或环境变化，对自身参数或结构进行修正或重构的能力。在运行过程中学习和获取关于对象和环境新知识并利用新知识改进控制行为的能力。基于对象行为预测的控制的多目标性。任何具备上述一种或多种能力的控制系统均被认为是智能控制系统。从这个意义上讲，经典的反馈控制、变结构控制、自校正控制及自适应控制均被认为属于智能控制的范畴，它们与通常所说的智能控制的区别在于它们仅具有较低层次的智能。而智能控制理论及应用研究的目的就是利用包括传统控制及系统理论在内的已有各种理论及技术来构造在某种程度上具备上述特征的控制系

6、统，并最终实现具有完全自治力的系统。3.Matlab程序设计实例倒立摆控制倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定系统，作为控制系统的被控对象，许多抽象的控制概念都可以通过倒立摆直接的表现出来。对系统建立数学模型是系统分析、设计的前提，而一个准确又简练的数学模型将大大简化后期的工作。为了简化系统的分析，在实际建立模型的过程中，要忽略空气的流动阻力，以及各个次要的摩擦阻力。这样，可以将倒立摆系统抽象成小车和匀质刚性杆组成，如图1所示。图1 倒立摆系统假定倒立摆系统的参数如下。摆杆的质量：m=0.1g摆杆的长度：2l=1m小车的质量：M=1kg重力加速度：g=10/s2摆杆惯量：I=0

7、.003kg/m2(摆杆的质量在摆杆的中心)设计一个控制系统，使得当给定任意初始条件(由干扰引起)时，最大超调量d %10%，调节时间ts4s，使摆返回至垂直位置，并使小车返回至参考位置(x=0)。要求：建立倒立摆系统的数学模型；分析系统的性能指标能控性、能观性、稳定性；设计状态反馈阵，使闭环极点能够达到期望的极点，这里所说的期望的极点确定是把系统设计成具有两个主导极点，两个非主导极点，这样就可以用二阶系统的分析方法进行参数的确定；用MATLAB进行程序设计，得到设计后系统的脉冲响应、阶跃响应，绘出相应状态变量的时间响应图。根据自身的课题情况，任意选择一个被控对象，按照上题所示步骤进行分析和设

8、计，并给出仿真程序及其执行结果。控制系统设计步骤：1.系统建模图2是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中，N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。是摆杆与垂直向上方向的夹角；是摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）。注意：在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定，因而矢量方向定义如图所示，图示方向为矢量正方向。 N I PMFbx Mg N图2 小车及摆杆受力分析 分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：即：把这个等式代入式(3-1)中，就得到系统的第一个运动方程：为了推出系统的第二个运动方程，我们对

9、摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程： 力矩平衡方程如下：注意：此方程中力矩的方向，由于，故等式前面有负号。 合并这两个方程，约去和，得到第二个运动方程： 设（是摆杆与垂直向上方向之间的夹角），假设与1（单位是弧度）相比很小，即，则可以进行近似处理：。用来代表被控对象的输入力，线性化后两个运动方程如下： 对式(3-9)进行拉普拉斯变换，得到 注意：推导传递函数时假设初始条件为0。 由于输出为角度，求解方程组的第一个方程，可以得到： 或 如果令，则有：把上式代入方程组的第二个方程，得到： 整理后得到传递函数： 其中 设系统状态空间方程为：方程组 对解代数方程，得到解如下：整理后得到系统

10、状态空间方程：代入倒立摆系统的参数可得：2.系统分析 判断系统能控性和能观性在MATLAB中，可以利用ctrb()和obsv()函数直接求出能控性和能观性矩阵A=0 1 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1;0 0 11 0;B=0;1;0;1;C=1 0 0 0;0 0 1 0;D=0;0;Uc=ctrb(A,B);rc=rank(Uc);n=size(A);if rc=n disp('system is controlled.') elseif rc<n disp('system is uncontrolled.') endVo=obsv(A,C);

11、ro=rank(Vo);if ro=n disp('system is observable.') elseif ro=n disp('system is no observable.')End运行情况如下：系统稳定性A=0 1 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1;0 0 11 0;B=0;1;0;1;C=1 0 0 0;0 0 1 0;D=0;0;P=poly(A),v=roots(P)运行结果如下：特征值为0（二重），3.3166,-3.3166，显然，其中一个极点在右半平面，该系统不稳定。3.系统设计：极点配置与控制器设计极点配置的方法就是通过一个适当

12、的状态反馈增益矩阵的状态反馈方法 ,将闭环系统的极点配置到任意期望的位置。 =Ax(t)+Bu(t)，其中x是状态变量（n维），u是控制信号，这里选取控制信号为u=-Kx,=(A-BK)x(t)该方程的解为x(t）、x(0），系统的稳态响应和瞬态响应特性由矩阵A-BK的特征决定。K=-(K1 K2 K3 K4)x，闭环系统的方程为=Ax+Bf=(A-BK)x，选取所希望的极点值为p1、p2、p3、p4。设计状态反馈阵时，要使系统的极点设计成具有两个主导极点，两个非主导极点，这样就可以用二阶系统的分析方法进行参数的确定。 最大超调量小于等于10%，调节时间为4S，运用超调量的计算公式，其中z为阻

13、尼系数，有该公式可求得，阻尼系数z=0.59，小于1，是欠阻尼。（-s为极点实部），可以求得Wn=1.27，则极点公式为Wn，得到两个共轭极点为:p1,2=-0.75±j1.025，配置非主导极点p3=-15、p4=-15。 在MATLAB的控制系统工具箱中提供了单变量系统极点配置acker(),其格式为K=acker(A,B,p)程序如下：A=0 1 0 0;0 0 -2 0;0 0 0 1;0 0 22 0;B=0;1;0;-1;C=1 0 0 0;0 1 0 0；0 0 1 0；0 0 0 1;D=0;rc=rank(ctrb(A,B);p=-0.75+1.025j,-0.75

14、-1.025j,-15,-15;K=acker(A,B,p)运行结果如下：4.仿真结果该二阶系统的阶跃响应为下图所示： 脉冲响应：5.结束语关于智能控制的研究，是自动控制领域的热点之一，仍然存在着许多争论，对于实际应用，大都停留在仿真或实验室阶段。本文是在学习MATLAB软件的基础上，通过对智能控制理论知识的学习，就智能控制研究中的一个经典对象小车倒立摆控制问题，以MATLAB为平台，通过建立对象模型，通过系统分析，进行了matlab仿真。由仿真结果可见，由这种控制方法可以实现小车倒立摆的控制，并得到了较好的控制效果。MATLAB软件是功能强大的计算和仿真软件，它不仅提供了开放的编程环境，用户可在其基础上进行扩展编程，还提供了和其他程序的接口，方便用户开发实用的子程序，直接在实际中使用。但是在解决实际应用问题中还存在许多问题，希望能在以后的学习中不断地进步。附录1.参考文献1