武汉科技大学智能控制系统 学院：信息科学与工程学院 专业：控制理论与控制工程 学号：10104045 姓名：李倩基于MATLAB的智能控制系统的介绍与设计实例摘要 现代控制系统，规模越来越大，系统越来越复杂，用传统的控制理论方法己不能满控制的要求。智能控制是在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展起来的，是控制理论、人工智能和计算机科学相结合的产物。MATLAB是现今流行的一种高性能数值计算和图形显示的科学和工程计算软件。本文首先介绍了智能控制的一些基本理论知识，在这些理论知识的基础之上通过列举倒立摆控制的具体实例，结合matlab对智能控制技术进行了深入的研究。第一章 引言自动控制就是在没有人直接参与的条件下，利用***使被控对象(如机器、设备和生产过程)的某些物理量能自动地按照预定的规律变化。它是介于许多学科之间的综合应用学科，物理学、数学、力学、电子学、生物学等是该学科的重要基础。自动控制系统的实例最早出现于美国，用于工厂的生产过程控制。美国数学家维纳在20世纪40年代创立了“控制论”。伴随着计算机出现，自动控制系统的研究和使用获得了很快的发展。在控制技术发展的过程中，待求解的控制问题变得越来越复杂，控制品质要求越来越高。这就要求必须分析和设计相应越来越复杂的控制系统。智能控制系统(ICS)是复杂性急剧增加了的控制系统。它是由控制问题的复杂性急剧增加而带来的结果，其采用了当今其他学科的一些先进研究成果，其根本目的在于求解复杂的控制问题。近年来，ICS引起了人们广泛的兴趣，它体现了众多学科前沿研究的高度交叉和综合。作为一个复杂的智能计算机控制系统，在其建立投入使用前，必要首先进行仿真实验和分析。计算机仿真(Compeer Simulation)又称计算机模拟(Computer Analogy)或计算机实验。所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法。计算机仿真方法有时也称计算机仿真技术，这二者有时又简称计算机仿真。当今，针对不同应用领域，不同的软件公司开发了不同的设计仿真软件，如在电子电路设计中应用的PSPICE软件，用于电力系统仿真的SABER软件等很多，而作为通用的单机运行的工程计算仿真软件，当首推MATLAB。MATLAB提供了一个高性能的数值计算和图形显示的科学和工程计算软件环境。这种易于使用的MATLAB环境，是由数值分析、矩阵计算、信号处理和图形绘制等组成。在这种环境下，问题的解答的表达形式几乎和它们的数学表达式完全一样，而不像传统的编程那样繁杂。MATLAB是一种交互系统，它的基本数据单元是无须指定维数的矩阵，所以在解决数值计算问题时，使用MATLAB要比使用诸如BASIC、FORTRAN、和C等语言简便得多，大大提高了编程效率。第2章 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，系统在信息处理上既有数***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。***协调能力对于复杂任务和分散的传感信息，系统具有自***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***。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统，并最终实现具有完全自治力的系统。3/智能控制的主要分类模糊逻辑控制传统的控制问题一般是基于系统的数学模型来设计***，而大多数工业被控对象是具有时变、非线性等特性的复杂系统，对这样的系统进行控制，不能仅仅建立在平衡点附近的局部线性模型，需要加入一些与工业状况有关的人的控制经验。这种经验通常是定性的或定量的，模糊推理控制正是这种控制经验的表示方法。这种方法的优点是不需要被控过程的数学模型，因而可省去传统控制方法的建模过程，但却过多地依赖控制经验。此外由于没有被控对象的模型，在投入运行之前就很难进行稳定性、鲁棒性等系统分析。近年来，一些研究者们在模糊控制模式中引入模糊模型的概念，出现了模糊模型。模糊模型易于表达结构性知识，成为模糊控制系统研究的关键问题。最近，模糊控制理论成功地应用于飞行器的优化***设计和产品加工过程。神经网络控制神经网络控制NNC是研究和利用人脑的菜些结构机理以及人的知识和经验对系统的控制。一般地，神经网络控制系统的智能性、鲁棒性均较好，它能处理高维、非线性、强耦合和不定性的复杂工业生产过程的控制问题。显示了神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方***有很大潜力。虽然神经网络在利用系统定量数据方面有较强的学习能力。但它将系统控制问题看成“黑箱”的映射问题，缺乏明确的物理意义，不易把控制经验的定性知识融入控制过程中。近来，在神经网络自适应控制、人工神经网络阀函数的数字设计、新的混合神经网络模型等方面都有一些重要进展，如应用于机器人操作过程神经控制、核反应堆的载重操作过程的神经控制。近年来，神经网络、模糊推理、各种特殊信号的有机结合，还导致了一些新的综合神经网络的出现。例如，小波神经网络、模糊神经网络和混沌神经网络的出现，为智能控制领域开辟了新的研究方向。实时专家系统实时专家系统是基于广义模型化概念和系统仿真技术与人工智能技术的深度结合，构造出一种带模型库的控制系统。这种新型的专家系统能在工业生产系统的动态过程中，随时监视外界的环境，自动采集生产过程变量，并对生产过程实时在线的修改和补充。传统的专家系统是以交互方式操作，从外界获取的信息都是一次性和静止的，而信息的采集是主动的。实际工业生产系统中的多数信息都是连续时变的，且信息是大量的。因此，采用一般模糊辨识方法得到的模型在精度上往往不是十分理想。为适应现代工业的要求，实时专家系统应用模糊逻辑控制和神经元网络理论，将线模和模糊型结合在一起，融进专家系统，通过专家系统的启发性、透明性和灵活性以及线性模型良好的***能力，对模糊模型进行动态的修改和补充，这样不再需要事先建立过程的数学模型。实时专家系统主要应用在咨询；自动化装置的设计、组态；诊断或诊断支持；复杂系统的调节等领域。其主要特点是：具有更高的智能判断能力和推理速度；同时，对外界的预测能力和自适应能力也很强。目前关于智能控制的研究和应用沿着几个主要的分支发展，主要为：自适应控制（fadaptivo Control)、模糊控制(Fuzzy Control)、神经网络控制(Neural Net-based Control)、基于知识的控制(Knowledge Based Control)、复合智能控制(Hybrid Intelligent Control)、学习控制(1earning Control)和基于进化机制的控制(Evolutionary Mechanism Based Control)。这些有的已在现代工业生产过程的智能控制与智能自动化投入实际应用。计算机仿真方法在各种工程领域和非工程领域中有许多成功应用的范例，其成效十分显著，影响也很大。在宇航工业中，有著名的阿波罗登月仿真系统。该系统包括混合计算机、运动仿真器、月球仿真器、驾驶舱、视景系统等，可实现在计算机上预先对登月计划进行分析、设计与检验，同时还可对宇航员进行仿真操作训练，从而大大降低了实际登月的风险系数。第3章 MATLAB平台及对应工具箱MATALAB是集科学计算、结果可视化和编程于一身，能够方便地进行科学计算和大量工程计算的数学软件。目前，它已成为世界上应用最为广泛的工程计算软件之一。MATALAB的最初版本是由Cleve Moler博士用FORTRAN语言开发的矩阵分析软件， MATALAB是“矩阵实验室”(Matrix Laboratory)的缩写，它是一种以矩阵计算为基础的交互式程序语言，最早用来作为LINPACK(线性代数软件包)和EISPACK(基于特征值计算的软件包)矩阵软件包的接口。在80年代初期，由Cleve Moler和John Little采用C改写了MATALAB的内核。不久，他们成立了MathWorks软件开发公司，并于1984年将MATALAB正式推向市场。1992年初推出了应用于Windows操作系统的MATALAB4/X版本，1998年推出5/2版本，1999年推出MATLAB5/3版本，2000年为MATLAB6/0版本，现在最新的为MATLAB6/5版本。1/MATLAB的主要特点MATLAB的基本单位为矩阵，其表达式与数学、工程计算中常用的形式类似。并且矩阵的行和列无需定义，可随时添加和修改；MATLAB语言以解释方式工作，对每条语句进行解释后即运行，键入算式即得结果，无需编译，对错误可立即作出反映，大大减少了编程和调试的工作；MATLAB语言规则与人们长期以来使用的在演算纸上进行演算的书写习惯十分相似，易学易读适于交流； 具有强大的作图和数据可视化功能。可以把数据以多种形式加以表现，非常简单、直观、方便； 具有极强的可扩展性；具有非常友好的人机界面。2/MATLAB软件包括MATLAB主程序和许多日益增多的工具箱，工具箱实际就是用MATLAB 基本语句编写的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。MATLAB 还提供了与其他应用语言的接口，以实现数据的共享和传递。3/MATLAB的基本组成MATLAB主要由MATLAB主程序、SIMULINK动态系统仿真和MATLAB工具箱三大部分组成。其中MATLAB主程序包括MATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五个部分；SIMULINK是用于动态系统仿真的交互式系统，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能动态地控制该系统，目前的SIMULINK可以处理线性、非线性、连续、离散、多变量及多系统；工具箱实际就是用MATLAB的基本语句编写的各种子程序集和函数库，用于解决某一方面的特定问题或实现某一类的新算法，它是开放性的，可以应用也可以根据自己的需要进行扩展。MATLAB工具箱大体可分为功能性的工具箱和学科性的工具箱两类。功能性的工具箱主要用于扩展MATLAB的符号计算功能、图形建模功能、文字处理功能和与硬件的实时交互过程，如符号计算工具箱等；学科性的工具箱则有较强的专业性，用于解决特定的问题，如信号处理工具箱和通信工具箱。第4章 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=0/003kg/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 rcn disp(system is uncontrolled/) endVo=obsv(A/C)/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***设计极点配置的方法就是通过一个适当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=-0/75j1/025，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/-0/75-1/025j/-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：第五章 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易继凯/侯媛摈/智能控制技术/北京工业大学出版社/2001/62师黎/陈铁军等/智能控制实验与综合设计指导/清华大学出版社/2008/73韩力群/人工神经网络理论设计及应用/化工工业出版社/2007/114李国勇/智能控制及其matlab实现/电子工业出版社/2006/125罗军等/智能控制工程及其应用实例/化学工业出版社/2005/36邹伯
免责声明：
1. 《基于MATLAB的智能控制系统的介绍与设计实例10104045》内容来源于互联网，版权归原著者或相关公司所有。
2. 若《86561825文库网》收录的文本内容侵犯了您的权益或隐私，请立即通知我们删除。
