2016年1O月 甘肃农业大学学报 第5 1卷 双月刊 第5期132~136 JOURNAL()F GANSU AGR1CU【 rURAI UN1VERSlTY 环形一级倒立摆系统单神经元PID控制仿真 胡小兵,刘成忠,赵晓军 (甘肃农业大学工学院,甘肃兰州 730070) 摘要:【目的】针对环形一级倒立摆的稳定控制问题,提出一种基于单神经元PID的控制算法.【方法】通过拉 格朗日方法推导出环形一级倒立摆系统的数学模型,设计了单神经元PID控制器,该控制器不但结构简单,而且具 有良好的自适应性和鲁棒性.并采用有监督Hebb学习规则对加权系数进行修正.在Matlab中的Simulink仿真平 台下.分别使用单神经元PID控制、常规PID控制和LQR控制,对环形一级倒立摆进行控制仿真.【结果】单神经 元PID控制较常规PID控制与LQR控制获得更好的控制效果,能够有效地解决环形一级倒 摆的控制问题. 关键词:环形倒立摆;单神经元PID;P1D控制器;LQR控制器 中图分类号:TP 39l 文献标志码:A 文章编号:1003 4315(2016)05—0132 05 Neuron PID control simulation of rotary single inverted pendulum system HU Xiao—bing,LIU Cheng-zhong,ZHAO Xiao-jun (College of Engineering,Gansu Agricultural University,I.anzhou 730070,China) Abstract:[Objective]Aimed at the stable control problem of single link rotary inverted pendulum,a control algorithm was put forward based on single neuron PID.[Method]The mathematical model derived by the I.agrange method of system for single link rotary inverted pendulum,designing the single neuron PID controller。the controller not only had simple structure,but also had good adaptability and robustness, and the weighted coefficients was carried out by the supervised Hebb learning rule.In the Simulink simula— tion platform in Matlab。the single neuron PID control and conventional PID control and I QR control was used respectively to simulate the single link rotary inverted pendulum.[Result]The results showed that the single neuron PID control had better control effect compared with the conventional PID control and LQR control,can effectively solve the control problem of single link rotary inverted pendulum. Key words:rotary inverted pendulum;single neuron PID;PID controller;LQR controller 倒立摆系统是一个非线性、多变量、强耦合的自 然不稳定系统,它是机器人、火箭和飞行器控制等许 多控制对象的理想模型.从而成为控制理论界关注 于直线倒立摆,环形倒立摆系统是一种典型的非线 性系统,具有3个自由度,克服了行程,可作为 检验各种控制理论更加理想的控制模型 。]. 目前,对于环形一级倒立摆的稳定控制有常规 的焦点 .目前,对于倒立摆系统的研究而言,国内 外更多地探索了直线倒立摆系统的控制问题.相对 PID控制 : ll、I QR控制 ]、滑模变结构控制 、模糊 第一作者:胡小兵(】989一),男,硕士研究生,研究方向为农业物联网、智能控制理论与应用.E—mail:mikehubing@163.corn 通信作者:刘成忠,男,副教授,研究生导师,研究方向为智能决策支持系统.E-mail:liucz@gsau.edu.cn 基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(1208RJZA133);甘肃省干旱生境作物学重点实验室开放基金资助项目(GSCS-2012—15);甘肃农业大 学青年导师基金资助项目(GAU—QNDS-201309). 收稿日期:2015—01—07;修回日期:2015-04—28 第5期 胡小兵等:环形一级倒立摆系统单神经元PID控制仿真 控制[6]等.而单神经元PID控制结合神经网络和 PID控制的优点,具有结构简单、自学习和自适应能 力好、鲁棒性强等特点.为此,本研究将单神经元 PID控制应用到环形一级倒立摆系统的稳定控制 中,通过仿真结果表明了本方案的有效性,并将其与 常规PID控制、LQR控制进行比较. 1 环形一级倒立摆系统的数学模型 在忽略空气阻力、模块之间的摩擦力及摆杆连 接处质量分布不均匀等因素后,环形一级倒立摆系 统可理想地简化为一个连杆、一个摆杆和一个质量 块,坐标系见图1.其中,连杆的长度为 ;摆杆转动 中心到杆质心的距离为l ;连杆与 轴的夹角为0 ; 摆杆与垂直向上方向的夹角为02(顺时针为正). 摆杆 图1环形~级倒立摆系统坐标系 Fig.1 Coordinate system of rotary inverted pendulum 对于倒立摆的运动方程,主要通过两种方法进 行建立与分析,分别是牛顿欧拉方法和拉格朗日方 法.本研究采用拉格朗日方法得到环形一级倒立摆 系统的运动方程.在图1中的摆杆上取-II,段 , 该段的坐标[ : fz—z1 i 1一z i“ 。 1 y=ll COS{ ̄I+/sin&sin61 (1) l 一zcos02 则该小段 z的动能: du. ,.一 1 dlm [ dz)。+( )。+ dz) ] 1 dl_ m (zf +z sin202 ̄l。 (2) 一一2ll 1自2 cos02) 连杆的动能: 一专‘,1 i一寺m z2 口" 2 (3) 摆杆的动能: 一 dT=÷m 2"2 +号m + (4) sin2 )一m2 z1 2 1 2 cos0e 质量块的动能: 1 。一 m。( ) 一 1 2 "2 (5) 由以上可知系统的总动能为丁一Tm + z+ 3. 以连杆水平位置为0势能位置,则系统势能为: 一 ・+ 2+ s … 一m1gl2+ 2g12(1--cos&)+m3gZ2 根据拉格朗日算子L===T— ,系统广义坐标q 一{0 ,02},在广义坐标 上不受外力作用,由拉格 朗日方程 d OL)一 一。,可得系统的运动方 程为: ÷ 2 2一m2 z112 cos&Em2gl2 sin&一 U (7) ÷m2l ̄o1/ sin&cos&一。 对上式中的百求解得出: 2一(m2 Z1 z2 1 cos&+m2gl2 sin02+ 幽 )/( 4 m ) 上式可表示为: :^( ,02,自 ,自 , ) (9) 由于只考虑了倒立摆系统在平衡点附近的稳定 性,故取平衡位置时各个变量的初始值为0,即( , , , , )一(O,0,0,0,O).将式(8)在平衡位置进 行泰勒级数展开,并对系统进行线性化处理.令K 一0,Kl2=3g/(412),Kl3—0,K14—0,K15===0,且取 z—Eo 02 。]===Eo 02] ,从而得出系统线 性化状态空间方程为: /立一Az+B (1o) 1 v一( +D“ 式中,A、B、C分别为系统的状态矩阵、控制矩阵、输 出矩阵,Y为系统的输出,即: 厂O l1 +J 0 3Z L41, _l J—l]r o 134 甘 肃 农 业 大 学 学 报 式中,连杆长度z 一0.221 1TI,摆杆质心到转轴的距 离z2—0.197 5 m,重力加速度g一9.8 m/s . rz1一△e—e( )一e( 一1) 2 单神经元PID控制器设计 2.1单神经元简介 z2一P(志) (13) lz 一△ g—e(k)一2e(忌一1)+P(忌一2) 单神经元的基本结构见图2. “( =u(k--1)+KE wi(k)xi( ) (14) 图2中,z , 一,z 为神经元输入信号,对它 们加以权值系数cU 后求和,然后再加上阀值b,得到 的值,最后通过传输函数_厂(.)得出单神经元的输 出信号Y. 2.2基于单神经元的PID控制器设计 2.2.1单神经元PID控制系统结构PID控制器 是根据期望输出r(£)与实际输出Y(£)形成偏差e (£),将偏差信号通过比例、积分及微分的线性组合 形成控制量,对被控对象进行控制lL8J.PID控制对线 性、单变量被控对象能够取得很好的控制效果,而对 于非线性、多变量的环形一级倒立摆系统,表现出较 差的控制性能,并且,PID控制器参数是固定不变 的,无法实现自适应. 单神经元PID控制器具有自学习和自适应的 能力,而且调整参数少、便于计算,能够较大地改善 典型非线性时变对象的动态品质,确保控制系统运 行在最佳状态,在一定程度上解决传统PID控制器 参数不易在线调整的问题,有利于满足系统的实时 性要求_g](图3). 图3中转换器的输入P(忌)为r(尼)与输出 (走) I状囊 一 I_.— r _=二 ~ l图3单神经元PID控制结构图 Fig.3 Structure of single neuron PID controller 式中,O 、0,分别为神经元i、J的激活值,△ 为神 “(志)一u(k--1)+K∑Wi(是)z (是) 。(志)=Wi(是)/∑Wi(是)I 训1(走)一 l(是一1)+玎JP( )“(是) 1(惫) (16) 毗(志)一 (k--1)q-vpe(k)u(k)x2( ) 戳 ( ) 叫3(k--1)+耽)P(五)“(志)z3( ) 式中, 、 、r/D分别为积分、比例、微分的学习速率. 对积分J、比例P和微分D分别选取不同的学习速 率1 、 、 以便对不同的权系数分别进行调整. 3 仿真试验 环形一级倒立摆系统的控制目标为产生合适的 控制量 ,使摆杆尽快地达到一个平衡位置,并且使 之没有大的振荡和过大的角度、速度.另外,当摆杆 到达预期的位置后,系统能够克服随机干扰而保持 第5期 胡小兵等:环形一级倒立摆系统单神经元PID控制仿真 135 稳定状态.为了实现控制目标,采用两个单神经元 PID控制器,分别对连杆转角01和摆杆转角 进行 控制.环形一级倒立摆的单神经元PID控制系统结 量的加权矩阵;本试验取R一1,Q=C ×C. 根据上述3种控制方法,在Matlab软件的 Simulink平台下,对环形一级倒立摆系统进行仿 构(图4). 图4环形一级倒立摆控制系统结构图 Fig.4 Inverted pendulum control system structure diagram 图4中,系统输入r为0输入响应信号;环形一 级倒立摆系统采用状态空间方程,见式(11)、式 (12),并设初始状态: 。一Eo.1,0,0.1,O],即0 一 2 —0.1 rad;SNPID Controller为单神经元PID控制 器,具体结构见图5. :_ hebb …、厂 图5 SNPID模块框图 Fig.5 SNPID module diagram 图5中,S—Function模块采用S函数实现了 有监督Hebb学习算法,该模块的输入信号为 ( )、 e(k一1)、e(k--2)、u(k—1),输入信号为 (是).为使 单神经元PID控制器更接近实际使用,在控制量 (走)后连接饱和非线性模块Saturation,它的取值区 间为[一10,1O]. 为了验证本方法的控制效果,与常规双回路 PID控制和LQR控制这2种方法进行比较.将图4 中的SNPID Controller模块替换为常规PID控制 器,这样可称之为双回路PID控制,与单神经元PID 控制器所不同的是,常规PID控制器的参数需要反 复进行调试.LQR控制是以状态空间方程表示线性 系统作为被控对象,寻找一个最优状态反馈控制律: 1 “一--Kx,使目标函数: 一百1 J [ +urRu ̄dt 厶 达到最小值,其中Q和R分别为状态变量和控制变 真,其结果见图6—7. 图6 3种控制方法的连杆角度仿真图 Fig.6 The simulation graph of the single neuron PID control 图7 3种控制方法的摆杆角度仿真图 Fig.7 The simulation diagram of LQR control 由图6可知,对于连杆角度的控制,在响应速 度、调节时间两方面,单神经元PID控制均表现为 最优.PID控制与I QR控制相比,PID控制具有较 快的响应速度,两者的超调量与调节时间相近. 由图7可知,在摆杆角度的控制问题上,除了超 调量之外,单神经元PID控制具有良好的控制效 果.而LQR控制具有最小的超调量,但在响应速度 和调节时间这两方面均表现的较差,同样,PID控制 在这两方面与之接近,且具有过大的超调量. 4 结论 本研究通过分析环形一级倒立摆系统,进行了 数学建模.由于单神经元PID控制器是在常规PID 控制的基础上,结合了神经元的自学习、自适应的功 136 甘 肃 农 业 大 学 学 报 分析[J].机电技术,2012,35(4):36-39 2016笠 能,具有结构简单、实时性能好,鲁棒性强等优点,因 此,将其引入到对环形一级倒立摆的稳定控制中.仿 真结果表明,单神经元PID控制对倒立摆系统的连 杆角度和摆杆角度获得良好的控制效果,且均优于 PID控制、LQR控制. 参考文献 [6]李保林,吕跃,袁浩.一级旋转倒立摆的模糊控制[J]. 实验室科学,2008(5):77—79 [7]刘浩梅,张昌凡.基于LQR的环形单级倒立摆稳定控 制及实现[J].中南大学学报:自然科学版,2012,43 (9):3496—3500 [8]魏凯,安进强,贾晔,等.基于ZigBee技术的恒压灌溉 系统研究[J].甘肃农业大学学报,2013,48(5):146— 150 [1]桑英军,范媛媛,徐才干.单级倒立摆控制方法研究 [J].控制工程,2010,17(6):743—745 [9]陈斌,杨宏祯,王立文.飞机除冰液加热系统单神经元 E2]王东亮,刘斌,张曾科.环形一级倒立摆摆起及稳定控 制研究[J].微计算机信息,2007,23(4):1-2 [3]汪雨寒,夏洪浩,杨思亚.简易旋转倒立摆及控制装置 的系统设计口].大学物理实验,2014,27(1):37—39 PID控制仿真[J].计算机工程,2012,38(6):241—243 [1O]徐国华,李祖佳,贺磊,等.单神经元P1D在绞车控制 系统中的应用EJ].控制工程,2013,20(1):42—45 [11]李俊丽,,王生泽.单神经元PID在多电机同步控 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