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1 引言 一般來說，大多數(shù)物理過程都具有復(fù)雜、高度非線性、易受外界干擾影響，且存在很大的不可知性等特點。利用傳統(tǒng)的控制器來處理該類系統(tǒng)是非常困難的。然而，隨著控制理論的不斷發(fā)展，智能控制即使在不知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的情況下也能獲得比傳統(tǒng)控制方法更好的控制效果。蹺蹺板系統(tǒng)是一個比倒立擺系統(tǒng)更為復(fù)雜，更接近于實際應(yīng)用的典型控制系統(tǒng)。它具有嚴重的非線性、強耦合、對干擾敏感、模型過于復(fù)雜等特點。蹺蹺板系統(tǒng)是由一部小車、一個直流伺服電動機、兩個分別用于測量角度和位置的電位計以及蹺蹺板三角體組成。而讓蹺蹺板平衡的機制就是利用蹺蹺板系統(tǒng)中小車的移動來完成平衡的目的。 由于蹺蹺板系統(tǒng)具有高度的非線性和強耦合性等特點以及變結(jié)構(gòu)控制的抖振問題，本文將模糊滑�？刂扑惴ㄒ胂到y(tǒng)控制中以柔化控制量。使用模糊控制策略不僅可以使控制系統(tǒng)滑動模態(tài)的品質(zhì)得到保證和改善，同時消除了滑�？刂浦械亩墩瘳F(xiàn)象。 2 蹺蹺板系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 蹺蹺板系統(tǒng)示意圖如圖（1）所示。 圖（1）蹺蹺板系統(tǒng)示意圖 圖中各參數(shù)定義如下： 杠桿的傾斜角度；X:小車的位置；d1:杠桿相對支點高度0.125m；d2:杠桿中心點相對支點高度0.058m；Iw:轉(zhuǎn)動慣量0.395kg.m2；mb:小車的質(zhì)量0.57㎏；mw:杠桿的質(zhì)量3.6㎏；:重力加速度9.81N/㎏。 定義拉格朗日算子 L=T-U（1） 其中T為系統(tǒng)的動能，U為系統(tǒng)的勢能。取狀態(tài)變量為，為構(gòu)造拉格朗日方程，分別求出 將（4）式代入（2）式和（3）式，即可得到（5）和（6）式 通過（5）和（6）式可分別求得和的表達式 方程組（7）即為系統(tǒng)的非線性狀態(tài)方程表達式。 3 模糊滑�？刂破鞯脑O(shè)計 滑模變結(jié)構(gòu)控制具有響應(yīng)速度快、魯棒性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用與非線性系統(tǒng)控制當中，但是滑�？刂迫菀滓鹣到y(tǒng)的抖振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)的最終不穩(wěn)定。模糊滑模控制是在不確定環(huán)境下，對于復(fù)雜對象進行有效控制的一種智能控制方法。它不依賴系統(tǒng)的模型，而且對干擾具有完全的魯棒性，同時保持了模糊控制和滑模控制的優(yōu)點。模糊滑�？刂频幕驹O(shè)計方法是在滑�？刂葡到y(tǒng)的趨近階段通過模糊邏輯調(diào)節(jié)控制作用來補償未建模動力學(xué)的影響，其目的是提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)、減少到達滑動面時間、降低抖振。文中利用模糊控制規(guī)則調(diào)整控制輸入量的大小，保證滑模控制到達條件得到滿足。模糊滑模控制原理如圖1所示。 圖1模糊滑�？刂圃韴D 由圖可知，模糊滑模控制系統(tǒng)由三部分組成，即切換函數(shù)、模糊控制器、和被控對象。滑模函數(shù)的輸入為系統(tǒng)狀態(tài)變量，切換函數(shù)設(shè)計為s=C·X （1） 模糊控制器的輸入為切換函數(shù)及其變化率，這樣可有效的減少模糊規(guī)則的數(shù)量，很好的解決高階系統(tǒng)多輸入中存在的規(guī)則爆炸問題�？刂频淖兓孔鳛榛？刂破鞯妮敵�，可使模糊滑模控制成為無模型控制，依賴于被控對象的程度較小。 根據(jù)模糊控制原理，定義模糊集， 其中PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB分別表示為正大，正中，正小，零，負小，負中，負大。在滿足不等式的條件下設(shè)計，所獲得的控制表如表1所示。使用的模糊規(guī)則是 表1模糊控制規(guī)則表 表中所有的控制規(guī)則是根據(jù)滿足這個達到滑模的充要條件所設(shè)計的，所以設(shè)計的模糊滑�？刂葡到y(tǒng)是穩(wěn)定的。 4 仿真研究 圖2 小車位置隨時間變化曲線 圖3杠桿角度隨時間變化曲線 圖4切換函數(shù)對時間變化曲線 圖5控制律隨時間變化曲線 由以上仿真結(jié)果可以看出，利用本文方案設(shè)計的控制器大大加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，且能有效地減小系統(tǒng)的最大偏差，系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象也基本可以消除。 5 結(jié)論 本文介紹了蹺蹺板系統(tǒng)的工作原理,建立了蹺蹺板系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。針對常規(guī)滑�？刂浦写嬖诘亩墩瘳F(xiàn)象，將模糊滑�？刂品椒ㄒ胲E蹺板控制系統(tǒng)中,通過仿真可以看出，將模糊滑模控制應(yīng)用于具有強耦合、非線性特性的蹺蹺板系統(tǒng)是切實可行的，而且使用滑模模糊控制算法設(shè)計出來的控制器具有很強的魯棒性。 |
