基于蛙跳算法的板球系統(tǒng)控制研究.pdf

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、復雜性、非線性、參數(shù)不確定性、機械摩擦以及外界隨機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、計算機視覺檢測、運動控制、機械平臺設計、運動軌跡的多目標規(guī)劃等諸多領域中被廣泛提及，多領域的結合特性使得該系統(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，自提出后被眾多學者應用到控制工程領域，并有許多出色的工程應用案例；也用于控制參數(shù)的離線整定和優(yōu)化，這種結合“離線”的控制算法被應用在仿真實驗中，控制參數(shù)的單一性制約其得到更廣泛的應用。如果能將蛙跳算法“在線”地與控制算法結合，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，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，對其控制算法進行研究探索，通過

3、引入蛙跳算法對 PID控制參數(shù)進行“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)的物理結構和特性，建立線性化板球系統(tǒng)數(shù)學模型；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”結合的SFLA-PID控制算法，并將該算法成功應用于板球系統(tǒng)的SFLA-PID控制器的設計，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確度高，單周期的定軌跡運動控制效果也較好；在進行系統(tǒng)控制的過程中，能夠實現(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，快速達到控制目標。
　　本研究主要內容包括：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)狀進行系統(tǒng)地闡述，分析了板球系統(tǒng)的物理結構與特性，采用拉格朗日力學原理建立板球系統(tǒng)的動力學模型，選取角度控制量線性化動力學模型，建立了系統(tǒng)完全線性化的數(shù)學模型。⑵針對板球系統(tǒng)視覺檢測方法的不足，改進、優(yōu)化和完善圖像預處理步驟，提高小球質心定位的準確性和控制系統(tǒng)的整體性能，設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、質心提取和小球定位的優(yōu)化方案。實驗結果表明，使用優(yōu)化后的視覺檢測方法，提

6、取質心的結果和小球定位的結果都更準確，使系統(tǒng)具有更好的抗干擾性。⑶利用蛙跳算法具有“淘汰、進化、傳承”的思想，將蛙跳算法與PID控制算法進行“在線”結合，提出了SFLA-PID參數(shù)自整定的控制算法，設計了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控制算法進行板球系統(tǒng)定點運動的實物控制實驗；考慮到實驗重復進行多次時，并不是每次都能達到設定的控制要求或控制精度。進行多次、多類別實物實驗后，從控制精度、調節(jié)時間和控制準確度三個角度對實驗結果進行分析對比，結果表明：在定點控制實驗中，本文提出的SFLA-PID控制算法不僅能夠達到控制要求，而且控制精度最高，控制準確度最高，控制效果最優(yōu)；使用SFLA-PID控制算法進行單周期的三角形定軌跡運動控制，跟蹤速度快，