基于遗传算法的倒立摆控制及其网络实验系统设计
|
摘要
倒立摆是一个非线性、多变量、强藕合、不稳定的机电系统。作为一种被广泛采用的控制对象,倒立摆系统即可以检验许多控制方法的有效性,也可以将控制理论的许多抽象概念如控制系统的稳定性、可控性和收敛速度等直观地表现出来。因而它在控制理论的方法及实验研究中具有很重要的作用。
本文以XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆为研究对象,在分析了旋转式倒立摆结构的基础上,建立了旋转式倒立摆的数学模型,并将遗传算法引入到旋转式倒立摆的PID控制算法研究中,利用改进的遗传算法分别对旋转式倒立摆的单回路PID和双回路PID控制器参数进行寻优。仿真结果表明该方法具有较好的控制效果。并在此研究的基础上进一步实现了旋转式倒立摆实物系统的基于遗传算法的PID控制。
另一方面,从构建网络自动控制实验的需要出发,完成了基于C/S结构的旋转式倒立摆网络教学实验系统的研究与设计。该系统由旋转式倒立摆、网络服务器、应用程序服务器、数据库服务器、图像服务器、远程客户端等部分组成。用户可在所设计的支持多用户的管理机制下,通过远程客户端访问倒立摆实验系统,并以远程设置控制参数—本地实时控制—远程传送试验数据的实验方式完成相关实验。
Inverted pendulum is a non-linear, multivariable, strongly coupled, unstable mechatronics system. As a control object which has been widely used,inverted pendulum can not only prove the availability of lots of control methods,but also display various abstract control concepts conspicuously such as stability, controllability and convergence speed. So it has very important effect in the experiment method and research of control theory .
In this paper,we take the Rotary Inverted Pendulum XZ-II as a research object. On the basis of analyzing it's structure, we establish the mathematical modle of Rotary Inverted Pendulum , and introduce Genetic Algorithm to the research of PID controller. We use the improved GA to respectively search the optimum parameters of single and double loop PID controller. The simulation result shows that the PID controller based on GA has a good control effect. Finally, on the basis of simulation,we control Rotary Inverted Pendulum system successfully.
On the other hand, to construct the network automatic control experiment,we finish the research and design of network teaching experiment system of Rotary Inverted Pendulum based on the client/server structure. The system includes a Rotary Inverted Pendulum, Web server, application server, data server, image server, and remote client computer. Users can conveniently visit the experiment system under the management mechanism of supporting multi-user and implement control experiments according to the experiment mode which has three steps including to set parameters at client, to control inverted pendulum at server, to transmit experiment data through network.
本文以XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆为研究对象,在分析了旋转式倒立摆结构的基础上,建立了旋转式倒立摆的数学模型,并将遗传算法引入到旋转式倒立摆的PID控制算法研究中,利用改进的遗传算法分别对旋转式倒立摆的单回路PID和双回路PID控制器参数进行寻优。仿真结果表明该方法具有较好的控制效果。并在此研究的基础上进一步实现了旋转式倒立摆实物系统的基于遗传算法的PID控制。
另一方面,从构建网络自动控制实验的需要出发,完成了基于C/S结构的旋转式倒立摆网络教学实验系统的研究与设计。该系统由旋转式倒立摆、网络服务器、应用程序服务器、数据库服务器、图像服务器、远程客户端等部分组成。用户可在所设计的支持多用户的管理机制下,通过远程客户端访问倒立摆实验系统,并以远程设置控制参数—本地实时控制—远程传送试验数据的实验方式完成相关实验。
Inverted pendulum is a non-linear, multivariable, strongly coupled, unstable mechatronics system. As a control object which has been widely used,inverted pendulum can not only prove the availability of lots of control methods,but also display various abstract control concepts conspicuously such as stability, controllability and convergence speed. So it has very important effect in the experiment method and research of control theory .
In this paper,we take the Rotary Inverted Pendulum XZ-II as a research object. On the basis of analyzing it's structure, we establish the mathematical modle of Rotary Inverted Pendulum , and introduce Genetic Algorithm to the research of PID controller. We use the improved GA to respectively search the optimum parameters of single and double loop PID controller. The simulation result shows that the PID controller based on GA has a good control effect. Finally, on the basis of simulation,we control Rotary Inverted Pendulum system successfully.
On the other hand, to construct the network automatic control experiment,we finish the research and design of network teaching experiment system of Rotary Inverted Pendulum based on the client/server structure. The system includes a Rotary Inverted Pendulum, Web server, application server, data server, image server, and remote client computer. Users can conveniently visit the experiment system under the management mechanism of supporting multi-user and implement control experiments according to the experiment mode which has three steps including to set parameters at client, to control inverted pendulum at server, to transmit experiment data through network.
引文
[1]张小明.旋转倒立摆系统控制方法的研究[硕士论文].天津大学.2005.01.01.
[2]郭钊侠,方建安,茁清影.倒立摆系统及其智能控制研究.东华大学学报,Vol.29 No.2 Apr.2003:122-126.
[3]黄苑虹,梁慧冰.从倒立摆装置的控制策略看控制理论的发展和应用.广东工业大学学报,Vol.18 No.3 Sep.2001:49-53.
[4]Anderson W.Learning to Control an Inverted Pendulum Using Neural Network,IEEE Control System Magazine,1989,9(4):3137.
[5]Yamakwa T.Stabilization of an Inverted Pendulum by a High-speed Fuzzy Logic Controller Hardware System.Fuzzy Sets and Systems,1989,32,161-180.
[6]Mori S,Nishihara H,Furuta K.Control of Unstable Mechanical System Control of Pendulum.Control,1975,23,673-692.
[7]林光云,王万.Java技术在基于Web分布式倒立摆远程实验的应用.中国有线电视,2004(09/10):90-93.
[8]王瑛,徐国峰,刘春生.基于Internet倒立摆远程控制的设计和实现.南京工业职业技术学院学报,Vol.5 No.4 Dec.2005:23-25.
[9]张姝,朱善安.基于Internet的倒立摆网络控制系统.实验室研究与探索,Vol.23 No.7Jul.2004:24-27.
[10]吴小红.基于B/S的倒立摆远程控制实验系统的设计.控制工程,Vol.12 Jan.2005:87-89.
[11]鄢圣茂,许国荣,宋立忠,徐袭.基于计算机网络的倒立摆远程实验平台研究.微计算机信息(测控自动化),2005年第21第12-1期:78-80.
[12]陈俊,石刚,周江,邹凤梧.基于倒立摆的网络实验平台研究.广西工学院学报,Vol.15 No.2Jun.2004:54-57.
[13]XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆系统实验指导书.科大创新股份有限公司自动化分公,2002.08.
[14]Ko C.C,Chen B.M,Chen J,Tar K.C,Development of a Web-based laboratory for control experiments on a coupled tank apparatus,IEEE Transactions on Education,2001,44(1):76-86.
[15]李虹,熊诗波,孙志毅.Simulink环境下倒立摆控制系统建模与仿真.太原科技大学学报,V01.26 No.3 Sep.2005:190-193.
[16]夏红,赏星耀,宋建成.PID参数自整定方法综述.浙江科技学院学报,Vol.15 No.4Dec.2003:236-240.
[17]王伟,张晶涛.PID参数先进整定方法综述.自动化学报,2000,26(3):347-355.
[18]HOW K,Hang C C,Cao L S.Tuning of PID controllers based on gain and phase margin specifications.Automatica,1995,31(3):497-502.
[19]薛定宇.反馈控制系统设计与分析MATLAB语言应用.清华大学出版,2000.
[20]杨平,徐春梅,曾婧婧,蒋式勤,彭道刚.PID控制在倒立摆实时控制系统中的应用.微计算机信息(测控自动化),2006年第22卷第7-1期:83-85.
[21]罗晶,陈平.一阶倒立摆的PID控制.实验室研究与探索,Vol.24 No.11 Nov.2005:26-28.
[22]赵云.遗传算法应用研究[硕士学位论文].云南大学,2004.05.01.
[23]戴晓晖.遗传算法理论及其应用研究[博士学位论文].天津大学,1999.06.01.
[24]陈琨.遗传算法研究及应用[硕士学位论文].贵州大学,2003.03.01.
[25]潘正君,康立山等.演化计算.清华大学出版社,1998.
[26]Zhang-Can Huang,Xiao-Lin Hu,Si-Duo Chen.Dynamic Traveling Salesman Problem based on Evolutionary Computation.Proceeding of the 2001 IEEE Congress on Evolutionary Computation Seoul,Korea,May 27-30,2001,1283-1288.
[27]肖勇,陈意云,用遗传算法构造决策树.计算机研究与发展,1998,35(1):49-52.
[28]戴晓晖,李敏强,寇纪淞.遗传算法的性能分析研究.软件学报,2001,12(5):742-750.
[29]陆金桂,李谦,王浩,曹一家.遗传算法原理及工程应用.中国矿业大学出版社,1997.12.
[30]许力.智能控制与智能系统.机械工业出版社.2007.02.
[31]王小平,曹立明.遗传算法—理论、应用与软件实现.西安交通大学出版社.2002.01.
[32]雷英杰,张善文等.MATLAB遗传算法工具箱及应用.西安电子科技大学出版.2005.04.
[33]郭东伟.遗传算法运行机理的研究[博士学位论文].吉林大学,2002.04.01.
[34]杨海清.遗传算法的改进及其应用研究[硕士学位论文].浙江工业大学,2004.05.01.
[35]许存禄.遗传算法的研究[硕士学位论].文兰州铁道学院,2002.05.01.
[36]田夫汉.遗传优化算法的设计与分析[硕士学位论文].吉林大学,1999.03.01.
[37]王彪,店超领,沈未林.利用遗传算法进行PID参数寻优的倒立摆控制系统.计算机测量与控制.2004.12(12)1171-1174.
[38]Xin Zuo,Junfeng Zhang,Xionglin Luo.Tuning PID Parameters Based on a Combination of the Expert System and the Improved Genetic Algorithms.Petroleum Science,Vol.2 No.42005:71-76.
[39]Wang P,Kwork D P.Optimal Design of PID Process Controllers Based on Genetic Algorithms.ControlEngPrac,1994,,2(4):641-648.
[40]谢勤岚,陈红.基于遗传算法的PID控制器优化设计.光学与光电技术,Vol.1 No.3 August 2003:37-39.
[41]韩玲.经验遗传算法及其应用[研究硕士学位论].文北京工业大学,2004.05.01.
[42]矫习恩,戚淑芬.利用改进的遗传算法实现PID参数寻优.青岛科技大学学报,Vol.26 No.3Jun.2005:249-252.
[43]周敏.遗传算法的若干改进及应用[硕士学位论文].中国科学院软件研究所,2001.05.01.
[44]郭庆鼎,李蒙,郭成.PID控制器参数的遗传算法优化设计.沈阳工业大学学报,2002,22(1):31-33.
[45]潘美芹.遗传算法的改进与研究[硕士学位论文].山东科技大学,2000.05.01.
[46]傅强.智能PID控制器在航空发动机控制中的应用研究[硕士学位论文].西北工业大学,2005.03.01.
[47]张福波,王国栋,张殿华,刘相华.P1D控制器参数的ITAE最佳设定公式.东北大学学报(自 然科学版),Vol.26 No.8 Aug.2005:755-157.
[48]李磊.基于C/S模式的远程控制实验系统的研究[硕士学位论文].青岛科技大学,2005.04.20.
[49]Brofferio,S.C.A university distance lesson system:experiments,services,and future developments.IEEE Trans.Educ,February 1998,41:17-24.
[50]Yeung Kin,Jie Huang.Development of the Inetrnet based control experiment[A].Proceding of the 40~(th) IEEE Conference on Dicision and Control.2001-12.
[51]Corradini M L,Ippoliti G,Leo T,Longhi S.An Internet based laboratory for control education.Proceding of the 40~(th) IEEE Conference on Dicision and Control.2001-12.
[52]Chen B.M,Ko C.C.Development of a Web-Based laboratory for control experimentson a coupled tank apparatus.IEEE Trans.Educ.,February,2001,44:76-86.
[53]罗晓东.倒立摆网络实验系统的研究[硕士学位论文].南京理工大学,2004.10.08.
[54]桂放.基于网络的远程控制技术研究[硕士学位论文].武汉理工大学,2005.05.01.
[55]康荣学,贾海波,张优云.基于Internet的远程实验研究.计算机工程与应用,2002.16:168-170.
[56]杨瑶华.基于B/S模式的手臂机器人网络教学实验系统设计与实现[硕士学位论文].中南大学,2004.04.30.
[57]张磊敏.基于C/S的远程过程控制实验方法研究[硕士学位论文].武汉理工大学,2006.04.01.
[58]庞文尧,丁金婷.远程实验技术发展现状.科技通报,Vol.20 No.4 Jul.2004:311-315.
[59]孙鑫,余安萍.VC++深入详解.电子工业出版社,2006.06.
[60]张筠莉,刘书智.Visual C++实践与提高-串口通信与工程应用篇.中国铁道出版社,2006.01.
[61]丁展,刘海英等.Visual C++网络通信编程实用案例精选.人民邮电出版社,2004.04.
[62]Ko C.C,Chen B.M,Hu S.Y,Ramakrishnan V,Cheng C.D,Zhuang Y,Chen J.A web-based virtual laboratory on a frequency modulation experiment.IEEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part C:Applications and Reviews,2001,31(3):295-303.
[63]Arpaia P,Baccigalupi A,Cen amo F,Daponte P.A remote measurement laboratory for educational experiments.Measurement.Vol.21,No.4,1997,pp.157-169.
[64]吕露,楼柿涛.基于互联网的扫描探针显微镜远程控制研究.高科技通讯,2000,10(4):45-47.
[65]Book W J,Rouse M D,Koeppen K.Internet access to a fluid power mechatronics laboratory.2001IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Proceedings.2001-07:1112-1117.
[66]廖华龙.基于LabVIEW的多功能转子试验台远程实验系统的开发[硕士学位论文].中国农业大学,2005.06.01.
[67]刘姝琴,廖晓听,陈际达.用进化RBF神经网络控制二级倒立摆.控制理论与应用,2000,17(4):593-600.
[2]郭钊侠,方建安,茁清影.倒立摆系统及其智能控制研究.东华大学学报,Vol.29 No.2 Apr.2003:122-126.
[3]黄苑虹,梁慧冰.从倒立摆装置的控制策略看控制理论的发展和应用.广东工业大学学报,Vol.18 No.3 Sep.2001:49-53.
[4]Anderson W.Learning to Control an Inverted Pendulum Using Neural Network,IEEE Control System Magazine,1989,9(4):3137.
[5]Yamakwa T.Stabilization of an Inverted Pendulum by a High-speed Fuzzy Logic Controller Hardware System.Fuzzy Sets and Systems,1989,32,161-180.
[6]Mori S,Nishihara H,Furuta K.Control of Unstable Mechanical System Control of Pendulum.Control,1975,23,673-692.
[7]林光云,王万.Java技术在基于Web分布式倒立摆远程实验的应用.中国有线电视,2004(09/10):90-93.
[8]王瑛,徐国峰,刘春生.基于Internet倒立摆远程控制的设计和实现.南京工业职业技术学院学报,Vol.5 No.4 Dec.2005:23-25.
[9]张姝,朱善安.基于Internet的倒立摆网络控制系统.实验室研究与探索,Vol.23 No.7Jul.2004:24-27.
[10]吴小红.基于B/S的倒立摆远程控制实验系统的设计.控制工程,Vol.12 Jan.2005:87-89.
[11]鄢圣茂,许国荣,宋立忠,徐袭.基于计算机网络的倒立摆远程实验平台研究.微计算机信息(测控自动化),2005年第21第12-1期:78-80.
[12]陈俊,石刚,周江,邹凤梧.基于倒立摆的网络实验平台研究.广西工学院学报,Vol.15 No.2Jun.2004:54-57.
[13]XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆系统实验指导书.科大创新股份有限公司自动化分公,2002.08.
[14]Ko C.C,Chen B.M,Chen J,Tar K.C,Development of a Web-based laboratory for control experiments on a coupled tank apparatus,IEEE Transactions on Education,2001,44(1):76-86.
[15]李虹,熊诗波,孙志毅.Simulink环境下倒立摆控制系统建模与仿真.太原科技大学学报,V01.26 No.3 Sep.2005:190-193.
[16]夏红,赏星耀,宋建成.PID参数自整定方法综述.浙江科技学院学报,Vol.15 No.4Dec.2003:236-240.
[17]王伟,张晶涛.PID参数先进整定方法综述.自动化学报,2000,26(3):347-355.
[18]HOW K,Hang C C,Cao L S.Tuning of PID controllers based on gain and phase margin specifications.Automatica,1995,31(3):497-502.
[19]薛定宇.反馈控制系统设计与分析MATLAB语言应用.清华大学出版,2000.
[20]杨平,徐春梅,曾婧婧,蒋式勤,彭道刚.PID控制在倒立摆实时控制系统中的应用.微计算机信息(测控自动化),2006年第22卷第7-1期:83-85.
[21]罗晶,陈平.一阶倒立摆的PID控制.实验室研究与探索,Vol.24 No.11 Nov.2005:26-28.
[22]赵云.遗传算法应用研究[硕士学位论文].云南大学,2004.05.01.
[23]戴晓晖.遗传算法理论及其应用研究[博士学位论文].天津大学,1999.06.01.
[24]陈琨.遗传算法研究及应用[硕士学位论文].贵州大学,2003.03.01.
[25]潘正君,康立山等.演化计算.清华大学出版社,1998.
[26]Zhang-Can Huang,Xiao-Lin Hu,Si-Duo Chen.Dynamic Traveling Salesman Problem based on Evolutionary Computation.Proceeding of the 2001 IEEE Congress on Evolutionary Computation Seoul,Korea,May 27-30,2001,1283-1288.
[27]肖勇,陈意云,用遗传算法构造决策树.计算机研究与发展,1998,35(1):49-52.
[28]戴晓晖,李敏强,寇纪淞.遗传算法的性能分析研究.软件学报,2001,12(5):742-750.
[29]陆金桂,李谦,王浩,曹一家.遗传算法原理及工程应用.中国矿业大学出版社,1997.12.
[30]许力.智能控制与智能系统.机械工业出版社.2007.02.
[31]王小平,曹立明.遗传算法—理论、应用与软件实现.西安交通大学出版社.2002.01.
[32]雷英杰,张善文等.MATLAB遗传算法工具箱及应用.西安电子科技大学出版.2005.04.
[33]郭东伟.遗传算法运行机理的研究[博士学位论文].吉林大学,2002.04.01.
[34]杨海清.遗传算法的改进及其应用研究[硕士学位论文].浙江工业大学,2004.05.01.
[35]许存禄.遗传算法的研究[硕士学位论].文兰州铁道学院,2002.05.01.
[36]田夫汉.遗传优化算法的设计与分析[硕士学位论文].吉林大学,1999.03.01.
[37]王彪,店超领,沈未林.利用遗传算法进行PID参数寻优的倒立摆控制系统.计算机测量与控制.2004.12(12)1171-1174.
[38]Xin Zuo,Junfeng Zhang,Xionglin Luo.Tuning PID Parameters Based on a Combination of the Expert System and the Improved Genetic Algorithms.Petroleum Science,Vol.2 No.42005:71-76.
[39]Wang P,Kwork D P.Optimal Design of PID Process Controllers Based on Genetic Algorithms.ControlEngPrac,1994,,2(4):641-648.
[40]谢勤岚,陈红.基于遗传算法的PID控制器优化设计.光学与光电技术,Vol.1 No.3 August 2003:37-39.
[41]韩玲.经验遗传算法及其应用[研究硕士学位论].文北京工业大学,2004.05.01.
[42]矫习恩,戚淑芬.利用改进的遗传算法实现PID参数寻优.青岛科技大学学报,Vol.26 No.3Jun.2005:249-252.
[43]周敏.遗传算法的若干改进及应用[硕士学位论文].中国科学院软件研究所,2001.05.01.
[44]郭庆鼎,李蒙,郭成.PID控制器参数的遗传算法优化设计.沈阳工业大学学报,2002,22(1):31-33.
[45]潘美芹.遗传算法的改进与研究[硕士学位论文].山东科技大学,2000.05.01.
[46]傅强.智能PID控制器在航空发动机控制中的应用研究[硕士学位论文].西北工业大学,2005.03.01.
[47]张福波,王国栋,张殿华,刘相华.P1D控制器参数的ITAE最佳设定公式.东北大学学报(自 然科学版),Vol.26 No.8 Aug.2005:755-157.
[48]李磊.基于C/S模式的远程控制实验系统的研究[硕士学位论文].青岛科技大学,2005.04.20.
[49]Brofferio,S.C.A university distance lesson system:experiments,services,and future developments.IEEE Trans.Educ,February 1998,41:17-24.
[50]Yeung Kin,Jie Huang.Development of the Inetrnet based control experiment[A].Proceding of the 40~(th) IEEE Conference on Dicision and Control.2001-12.
[51]Corradini M L,Ippoliti G,Leo T,Longhi S.An Internet based laboratory for control education.Proceding of the 40~(th) IEEE Conference on Dicision and Control.2001-12.
[52]Chen B.M,Ko C.C.Development of a Web-Based laboratory for control experimentson a coupled tank apparatus.IEEE Trans.Educ.,February,2001,44:76-86.
[53]罗晓东.倒立摆网络实验系统的研究[硕士学位论文].南京理工大学,2004.10.08.
[54]桂放.基于网络的远程控制技术研究[硕士学位论文].武汉理工大学,2005.05.01.
[55]康荣学,贾海波,张优云.基于Internet的远程实验研究.计算机工程与应用,2002.16:168-170.
[56]杨瑶华.基于B/S模式的手臂机器人网络教学实验系统设计与实现[硕士学位论文].中南大学,2004.04.30.
[57]张磊敏.基于C/S的远程过程控制实验方法研究[硕士学位论文].武汉理工大学,2006.04.01.
[58]庞文尧,丁金婷.远程实验技术发展现状.科技通报,Vol.20 No.4 Jul.2004:311-315.
[59]孙鑫,余安萍.VC++深入详解.电子工业出版社,2006.06.
[60]张筠莉,刘书智.Visual C++实践与提高-串口通信与工程应用篇.中国铁道出版社,2006.01.
[61]丁展,刘海英等.Visual C++网络通信编程实用案例精选.人民邮电出版社,2004.04.
[62]Ko C.C,Chen B.M,Hu S.Y,Ramakrishnan V,Cheng C.D,Zhuang Y,Chen J.A web-based virtual laboratory on a frequency modulation experiment.IEEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part C:Applications and Reviews,2001,31(3):295-303.
[63]Arpaia P,Baccigalupi A,Cen amo F,Daponte P.A remote measurement laboratory for educational experiments.Measurement.Vol.21,No.4,1997,pp.157-169.
[64]吕露,楼柿涛.基于互联网的扫描探针显微镜远程控制研究.高科技通讯,2000,10(4):45-47.
[65]Book W J,Rouse M D,Koeppen K.Internet access to a fluid power mechatronics laboratory.2001IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Proceedings.2001-07:1112-1117.
[66]廖华龙.基于LabVIEW的多功能转子试验台远程实验系统的开发[硕士学位论文].中国农业大学,2005.06.01.
[67]刘姝琴,廖晓听,陈际达.用进化RBF神经网络控制二级倒立摆.控制理论与应用,2000,17(4):593-600.