基于蛙跳算法的板球系統(tǒng)控制研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、板球系統(tǒng)是球桿系統(tǒng)在平面空間的二維拓展,是一種具有強耦合性、復(fù)雜性、非線性、參數(shù)不確定性、機(jī)械摩擦以及外界隨機(jī)干擾因素的被控對象,與球桿系統(tǒng)相比,板球系統(tǒng)的控制更為復(fù)雜,非線性不穩(wěn)定的特點表現(xiàn)得更加突出,實驗研究的易用性和經(jīng)典性讓它漸漸成為控制理論研究的一個重要研究平臺;此外,板球系統(tǒng)在非線性系統(tǒng)的分析及建模、計算機(jī)視覺檢測、運動控制、機(jī)械平臺設(shè)計、運動軌跡的多目標(biāo)規(guī)劃等諸多領(lǐng)域中被廣泛提及,多領(lǐng)域的結(jié)合特性使得該系統(tǒng)的研究具有挑戰(zhàn)性。

2、蛙跳算法作為群智能算法的一種,自提出后被眾多學(xué)者應(yīng)用到控制工程領(lǐng)域,并有許多出色的工程應(yīng)用案例;也用于控制參數(shù)的離線整定和優(yōu)化,這種結(jié)合“離線”的控制算法被應(yīng)用在仿真實驗中,控制參數(shù)的單一性制約其得到更廣泛的應(yīng)用。如果能將蛙跳算法“在線”地與控制算法結(jié)合,在板球系統(tǒng)控制的過程中,實現(xiàn)控制參數(shù)的在線自動整定和在線自校正,提高系統(tǒng)的控制品質(zhì),這種控制策略尚無案例用于板球系統(tǒng)控制的研究。本文以板球系統(tǒng)為研究對象,對其控制算法進(jìn)行研究探索,通過

3、引入蛙跳算法對 PID控制參數(shù)進(jìn)行“在線”自整定和自校正,從而實現(xiàn)板球系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
  本文以基于視覺檢測的板球系統(tǒng)為對象,對板球系統(tǒng)的控制展開研究。首先,分析了板球系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和特性,建立線性化板球系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型;其次,優(yōu)化板球系統(tǒng)的視覺檢測方法,提高系統(tǒng)抗干擾性;接著,提出將蛙跳算法與PID控制“在線”結(jié)合的SFLA-PID控制算法,并將該算法成功應(yīng)用于板球系統(tǒng)的SFLA-PID控制器的設(shè)計,實現(xiàn)了板球系統(tǒng)的定點運動控制和

4、定軌跡運動控制,實驗結(jié)果表明:本文所提出的SFLA-PID控制算法具有可行性,便捷有效,有良好的魯棒性;將SFLA-PID控制算法應(yīng)用于板球系統(tǒng)運動控制實驗中,定點運動控制精度和控制準(zhǔn)確度高,單周期的定軌跡運動控制效果也較好;在進(jìn)行系統(tǒng)控制的過程中,能夠?qū)崿F(xiàn) PID控制參數(shù)的在線自整定和自校正,將系統(tǒng)的不確定性和擾動對控制精度的影響盡可能地降低,從而改善了控制品質(zhì),快速達(dá)到控制目標(biāo)。
  本研究主要內(nèi)容包括:⑴對實物研究對象和理論

5、研究對象的背景、意義、研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)地闡述,分析了板球系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與特性,采用拉格朗日力學(xué)原理建立板球系統(tǒng)的動力學(xué)模型,選取角度控制量線性化動力學(xué)模型,建立了系統(tǒng)完全線性化的數(shù)學(xué)模型。⑵針對板球系統(tǒng)視覺檢測方法的不足,改進(jìn)、優(yōu)化和完善圖像預(yù)處理步驟,提高小球質(zhì)心定位的準(zhǔn)確性和控制系統(tǒng)的整體性能,設(shè)計如下視覺檢測的優(yōu)化方法:圖像平滑、邊緣檢測、OTSU閾值二值化、質(zhì)心提取和小球定位的優(yōu)化方案。實驗結(jié)果表明,使用優(yōu)化后的視覺檢測方法,提

6、取質(zhì)心的結(jié)果和小球定位的結(jié)果都更準(zhǔn)確,使系統(tǒng)具有更好的抗干擾性。⑶利用蛙跳算法具有“淘汰、進(jìn)化、傳承”的思想,將蛙跳算法與PID控制算法進(jìn)行“在線”結(jié)合,提出了SFLA-PID參數(shù)自整定的控制算法,設(shè)計了SFLA-PID控制器,實現(xiàn)了板球系統(tǒng)的定點運動控制。實驗結(jié)果表明,SFLA-PID控制算法可行,該方法定位控制效果好,優(yōu)化參數(shù)的速度快,具有控制參數(shù)在線自整定和自校正的能力,最終能使板球系統(tǒng)快速地達(dá)到穩(wěn)定。⑷將SFLA-PID控制算法

7、、PID控制算法、模糊PID控制算法進(jìn)行板球系統(tǒng)定點運動的實物控制實驗;考慮到實驗重復(fù)進(jìn)行多次時,并不是每次都能達(dá)到設(shè)定的控制要求或控制精度。進(jìn)行多次、多類別實物實驗后,從控制精度、調(diào)節(jié)時間和控制準(zhǔn)確度三個角度對實驗結(jié)果進(jìn)行分析對比,結(jié)果表明:在定點控制實驗中,本文提出的SFLA-PID控制算法不僅能夠達(dá)到控制要求,而且控制精度最高,控制準(zhǔn)確度最高,控制效果最優(yōu);使用SFLA-PID控制算法進(jìn)行單周期的三角形定軌跡運動控制,跟蹤速度快,

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