本文選題：板球系統(tǒng)　切入點：果蠅優(yōu)化算法　出處：《西南大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：板球系統(tǒng)是一個欠驅(qū)動、強耦合、多變量的非線性動力學(xué)系統(tǒng)。板球系統(tǒng)通過圖像采集或觸摸屏采集等方式來獲取小球位置并反饋給控制器,控制器通過控制電機轉(zhuǎn)角來調(diào)整平板的傾斜角度,從而實現(xiàn)小球的定位控制、軌跡跟蹤控制、繞障控制等。對板球系統(tǒng)的研究涉及到實驗平臺的機械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計、系統(tǒng)動力學(xué)分析及非線性建模、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論、數(shù)字圖像處理、軌跡規(guī)劃與跟蹤等諸多領(lǐng)域。由于板球系統(tǒng)本身的復(fù)雜性,涉及領(lǐng)域的廣泛性以及物理模型的簡易性,使其成為了控制理論研究中一種典型的控制對象,可以檢驗各種控制算法的有效性,其理論分析與控制方法的研究成果可以推廣到機器人控制、衛(wèi)星定位、船舶定航等實際工程問題,具有廣泛的應(yīng)用價值。因此,本文選取基于圖像采集的視覺板球系統(tǒng)作為研究對象,對系統(tǒng)的現(xiàn)有控制方法——FUZZY-PID控制器進行了分析研究,在此基礎(chǔ)上對其視覺檢測進行了優(yōu)化,并針對FUZZY-PID中調(diào)節(jié)時間較長,穩(wěn)態(tài)誤差較大的問題,本文引入更加新型、高效的果蠅優(yōu)化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm,FOA)對PID參數(shù)進行整定,提出了優(yōu)化改進的變步長果蠅優(yōu)化算法(Variable Step FOA,VSFOA),以實現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線動態(tài)整定,并以此設(shè)計了VSFOA-PID控制器,實現(xiàn)了對小球的定位控制和軌跡跟蹤控制,實驗結(jié)果表明:本文提出的利用變步長果蠅優(yōu)化算法進行在線PID參數(shù)整定的VSFOA-PID控制器具有較高的定位控制精度,較短的調(diào)節(jié)時間,以及較快的軌跡跟蹤速度。本文的主要工作如下:首先,本文闡述了板球系統(tǒng)和果蠅優(yōu)化算法的研究意義和研究背景及現(xiàn)狀,分析了板球系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與工作原理,在采用拉格朗日力學(xué)原理建立板球系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對板球系統(tǒng)進行理論分析、研究,以及建立板球系統(tǒng)的仿真模型,并選取平板傾斜角度作為控制量對數(shù)學(xué)模型進行簡化,最終得到板球系統(tǒng)關(guān)于x/y軸解耦的完全線性化簡化模型。第二,針對圖像采集中產(chǎn)生的噪聲及光線變化引起的小球定位不夠準確這一問題,本文對采集的圖像進行了去噪處理,接著使用OTSU法獲取灰度圖像最優(yōu)二值化閾值,以準確分割出小球圖像,提取小球質(zhì)心。由于采集的圖像中背景較多,在圖像處理過程中將會占用大量的計算時間,本文提出將采集的圖像劃分為含有球盤和小球的目標區(qū)域和背景區(qū)域,在圖像處理中僅對目標區(qū)域進行處理。本文提出的優(yōu)化視覺檢測方案提高了定位精度,增強了系統(tǒng)視覺檢測魯棒性。第三,針對傳統(tǒng)PID參數(shù)在線整定過程復(fù)雜、適應(yīng)性較差,難以滿足板球系統(tǒng)對控制過程快速、準確、穩(wěn)定的要求這一問題,本文引入果蠅優(yōu)化算法對PID參數(shù)進行在線動態(tài)整定,通過在線整定的方式提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。由于常規(guī)果蠅優(yōu)化算法中步長為固定值,使得算法無法平衡搜索過程中的全局搜索能力與局部尋優(yōu)能力,搜索精度與收斂速度,因此,本文對常規(guī)果蠅優(yōu)化算法進行了改進,提出了使步長隨著迭代次數(shù)增加而減小的變步長果蠅優(yōu)化算法VSFOA,從而實現(xiàn)算法在迭代初期具有較高的全局搜索能力和較快的收斂速度,在迭代后期具有較高的局部尋優(yōu)能力和搜索精度,并基于VSFOA在線動態(tài)整定PID參數(shù)的方法構(gòu)建VSFOA-PID控制器。通過使用PID控制器、FOA-PID控制器及VSFOA-PID控制器對板球系統(tǒng)仿真模型進行定位控制仿真實驗,實驗結(jié)果不僅驗證了VSFOA算法的有效性,同時也表明本文提出的VSFOA-PID控制器相對于常規(guī)PID控制器,可以大幅縮短調(diào)節(jié)時間,減小超調(diào)量,降低系統(tǒng)誤差性能指標,而與FOA-PID控制器相比時,具有更短的調(diào)節(jié)時間,更低的系統(tǒng)誤差性能指標,從而可以用于實現(xiàn)板球系統(tǒng)的軌跡跟蹤、繞障等更加復(fù)雜的控制;通過使用PID控制器和VSFOA-PID控制器對板球系統(tǒng)進行軌跡跟蹤控制仿真實驗,實驗結(jié)果表明,使用VSFOA-PID控制器時,系統(tǒng)響應(yīng)延遲更短,系統(tǒng)誤差性能指標更小。最后,將本文提出的VSFOA-PID控制器應(yīng)用于板球系統(tǒng)的實時控制,實現(xiàn)了小球的定位控制和軌跡跟蹤控制。通過與FUZZY-PID控制器進行定位控制對比實驗,結(jié)果表明,本文提出的VSFOA-PID控制器具有更小的穩(wěn)態(tài)誤差(FUZZY-PID控制器的均方根誤差為2.5108 mm,而VSFOA-PID控制器的為1.7658 mm,僅為FUZZY-PID控制器的70.33%),更短的調(diào)節(jié)時間(其調(diào)節(jié)時間為5-12 s,而FUZZY-PID控制器的為6-20 s),通過使用VSFOA-PID控制器對系統(tǒng)進行軌跡跟蹤控制,實驗結(jié)果表明VSFOA-PID控制器具有較快的軌跡跟蹤速度,其跟蹤100*100 mm2正方形的平均用時僅為8s。
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【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP273;TP18;TP391.41

【參考文獻】

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本文編號：1701277