南京郵電高校畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題目基于遺傳算法優(yōu)化的一級(jí)倒立擺限制系統(tǒng)LQR設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)專業(yè)提綱(開題報(bào)告2000字以上)：1.對(duì)指導(dǎo)老師下達(dá)的課題任務(wù)的學(xué)習(xí)與理解；2.閱讀文獻(xiàn)資料進(jìn)行調(diào)研的綜述（10篇左右）；3.依據(jù)任務(wù)書的任務(wù)及文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，初步擬定的執(zhí)行（實(shí)施）方案（含詳細(xì)進(jìn)度安排）。一、對(duì)課題任務(wù)的學(xué)習(xí)和理解隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，限制工程所面臨的問題越來越困難。很多系統(tǒng)具有嚴(yán)峻非線性、模型不確定、大滯后等特點(diǎn)。倒立擺就是這樣的困難系統(tǒng)，對(duì)它的探討具有一般性。倒立擺源于火箭放射器，最初的探討起先于二十世紀(jì)50年頭，由美國(guó)麻省理工學(xué)院的限制理論專家依據(jù)火箭放射助推器原理設(shè)計(jì)出一級(jí)倒立擺試驗(yàn)設(shè)備。倒立擺的限制技巧同雜技運(yùn)動(dòng)員倒立平衡表演有異曲同工之處，這表明一個(gè)不穩(wěn)定的被控對(duì)象，通過人的直覺、實(shí)行定性的手段，可以使之具有良好的穩(wěn)定性。在限制理論的發(fā)展過程中，某一理論的正確性及其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性須要一個(gè)按其理論設(shè)計(jì)的限制器去限制一個(gè)典型對(duì)象來驗(yàn)證。倒立擺系統(tǒng)作為一個(gè)試驗(yàn)裝置，形象直觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低廉；作為一個(gè)限制對(duì)象，他又相當(dāng)困難，同時(shí)就其本身而言，是一個(gè)高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，只有實(shí)行行之有效的限制方法才能使之穩(wěn)定，因此倒立擺裝置被公認(rèn)為是自動(dòng)限制理論中的典型試驗(yàn)設(shè)備。探討人員不斷從探討倒立擺限制方法中發(fā)掘出新的限制方法,并將其應(yīng)用于航天科技和機(jī)器人學(xué)等高新科技領(lǐng)域。通過對(duì)倒立擺系統(tǒng)的探討，不僅可以解決限制中的理論問題，還能將限制理論所涉及的三個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科：力學(xué)、數(shù)學(xué)和電學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來，在倒立擺系統(tǒng)中進(jìn)行綜合應(yīng)用。對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行限制，其穩(wěn)定效果特別明白，可以通過角度、位移和穩(wěn)定時(shí)間干脆度量，限制好壞一目了然。理論是工程的先導(dǎo)，對(duì)倒立擺的探討不僅有其深遠(yuǎn)的理論意義，還有重要的工程背景。從日常生活中所見到的任何重心在上，支點(diǎn)在下的限制問題，到空間飛行器和各類伺服云臺(tái)的穩(wěn)定，都和倒立擺的限制有很大的相像性，故對(duì)其的穩(wěn)定限制在實(shí)際中有很多用場(chǎng)，如海上鉆井平臺(tái)的穩(wěn)定限制、衛(wèi)星放射架的穩(wěn)定限制、火箭姿態(tài)限制、飛機(jī)平安著陸化工過程限制等都屬于這類問題。針對(duì)上面的實(shí)際問題，啟發(fā)了人們采納智能限制方法對(duì)倒立擺進(jìn)行限制。因此對(duì)倒立擺機(jī)理的探討具有重要的理論和實(shí)際意義，成為限制理論中經(jīng)久不衰的探討課題。二、閱讀文獻(xiàn)資料進(jìn)行調(diào)研的綜述倒立擺系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng),其機(jī)械部分遵循牛頓的力學(xué)定律,其電氣部分遵守電磁學(xué)的基本定理。因此,可以通過機(jī)理建模方法得到較為精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,通過實(shí)際測(cè)量和試驗(yàn)來獲得系統(tǒng)模型參數(shù)。現(xiàn)在有直線型倒立擺、環(huán)型倒立擺、平面倒立擺、柔性連接倒立擺、多級(jí)倒立擺等試驗(yàn)設(shè)備。無論哪種類型的倒立擺系統(tǒng),都具有3個(gè)特性,即:不確定性、耦合性、開環(huán)不穩(wěn)定性。直線倒立擺系統(tǒng)，或稱為“小車-倒立擺系統(tǒng)”，是由可以沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的小車以及一端固定于小車之上的勻質(zhì)長(zhǎng)桿組成的系統(tǒng)。小車可以通過傳動(dòng)裝置由力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、或者溝通伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。小車導(dǎo)軌一般有固定的行程，因此小車的運(yùn)動(dòng)范圍是受到限制的。直線型一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的實(shí)際限制要求可歸結(jié)為3點(diǎn)：(1)倒立擺小車限制過程的最大位移量不能超過小車軌道的長(zhǎng)度；(2)為保證倒立擺能順當(dāng)起立,要求初始偏角小于20°；(3)為保證倒立擺保持倒立的平衡態(tài),要求限制系統(tǒng)響應(yīng)速度足夠快。為此,設(shè)調(diào)整時(shí)間小于2s,峰值時(shí)間小于0.5s。LQR(linearquadraticregulator)即線性二次型調(diào)整器,其對(duì)象是現(xiàn)代限制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng),而目標(biāo)函數(shù)為對(duì)象狀態(tài)和限制輸入的二次型函數(shù)。LQR最優(yōu)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)出的狀態(tài)反饋限制器K要使二次型目標(biāo)函數(shù)J取最小值,而K由權(quán)矩陣Q與R唯一確定,故此Q、R的選擇尤為重要。LQR理論是現(xiàn)代限制理論中發(fā)展最早也最為成熟的一種狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法。特殊珍貴的是,LQR可得到狀態(tài)線性反饋的最優(yōu)限制規(guī)律,易于構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)限制。而且Matlab的應(yīng)用為L(zhǎng)QR理論仿真供應(yīng)了條件,更為我們實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的限制目標(biāo)供應(yīng)了便利。對(duì)于線性系統(tǒng)的限制器設(shè)計(jì)問題，假如其性能指標(biāo)是狀態(tài)變量和(或)限制變量的二次型函數(shù)的積分，則這種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)化問題稱為線性系統(tǒng)二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)限制問題，簡(jiǎn)稱為線性二次型最優(yōu)限制問題或線性二次問題。線性二次型問題的最優(yōu)解可以寫成統(tǒng)一的解析表達(dá)式和實(shí)現(xiàn)求解過程的規(guī)范化，并可簡(jiǎn)潔地采納狀態(tài)線性反饋限制律構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)限制系統(tǒng)，能夠兼顧多項(xiàng)性能指標(biāo)，因此得到特殊的重視，為現(xiàn)代限制理論中發(fā)展較為成熟的一部分。LQR即線性二次型經(jīng)典最優(yōu)限制算法，其限制理論已經(jīng)勝利應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)限制中，而LQR限制器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題就是進(jìn)行權(quán)矩陣Q和R的調(diào)整。Q和R的選擇一般無規(guī)律可循，通常取決于設(shè)計(jì)者的閱歷，常用的方法是試行錯(cuò)誤法，即選擇不同的Q和R代入計(jì)算比較結(jié)果而確定。這種方法一般得到的都是局部最優(yōu)限制。近年來，自動(dòng)限制己成為遺傳算法最活躍的探討領(lǐng)域之一，包括PID限制、最優(yōu)限制、自適應(yīng)、魯棒限制、模糊限制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)限制及系統(tǒng)辨識(shí)等很多分支。越來越多的探討人員起先探討用遺傳算法及其改進(jìn)算法解決限制領(lǐng)域中的難題。在科技高速發(fā)展的今日，對(duì)大規(guī)模的、困難的、不確定性的系統(tǒng)進(jìn)行有效限制的要求在不斷提高，如何精確便利地優(yōu)化各種限制方法中限制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)己成為迫切須要解決的問題。盡管遺傳算法經(jīng)過幾十年的理論及應(yīng)用探討已獲得了大量的成果，但其理論基礎(chǔ)仍較薄弱，一些參數(shù)的選取還要依靠試驗(yàn)閱歷的積累。因此，對(duì)遺傳算法本身及其解決限制問題的深化探討具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。遺傳算法（Genetic

Algorithm）是一類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律（適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制）演化而來的隨機(jī)化搜尋方法。它是由美國(guó)的J.Holland教授1975年首先提出，其主要特點(diǎn)是干脆對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定；具有內(nèi)在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)實(shí)力；采納概率化的尋優(yōu)方法，能自動(dòng)獲得和指導(dǎo)優(yōu)化的搜尋空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜尋方向，不須要確定的規(guī)則。遺傳算法的這些性質(zhì)，已被人們廣泛地應(yīng)用于組合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號(hào)處理、自適應(yīng)限制和人工生命等領(lǐng)域。它是現(xiàn)代有關(guān)智能計(jì)算中的關(guān)鍵技術(shù)。遺傳算法也是計(jì)算機(jī)科學(xué)人工智能領(lǐng)域中用于解決最優(yōu)化的一種搜尋啟發(fā)式算法，是進(jìn)化算法的一種。這種啟發(fā)式通常用來生成有用的解決方案來優(yōu)化和搜尋問題。進(jìn)化算法最初是借鑒了進(jìn)化生物學(xué)中的一些現(xiàn)象而發(fā)展起來的，這些現(xiàn)象包括遺傳、突變、自然選擇以及雜交等。遺傳算法能在概率意義下收斂到問題的全局最優(yōu)解，故被廣泛認(rèn)為是一種穩(wěn)健的全局搜尋算法，但是在適應(yīng)度函數(shù)選擇不當(dāng)?shù)臓顩r下有可能收斂于局部最優(yōu)，而不能達(dá)到全局最優(yōu)。三、課題探討方案：本題要利用遺傳算法，在肯定的目標(biāo)函數(shù)下對(duì)LQR算法中權(quán)矩陣Q和R進(jìn)行優(yōu)化，使其限制效果能夠滿意結(jié)構(gòu)性能要求，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果下的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行分析比較和結(jié)果的驗(yàn)證。整體探討方案可分為如下3部分：1.首先了解一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用拉格朗日方程或者牛頓-歐拉方程建立其數(shù)學(xué)模型，列寫系統(tǒng)狀態(tài)空間方程；2.理解LQR限制算法，了解狀態(tài)變量與輸入變量加權(quán)矩陣在LQR限制算法中的重要性，并設(shè)計(jì)LQR限制器；3.編寫相關(guān)運(yùn)行程序，利用遺傳算法對(duì)LQR限制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),包括確定參數(shù)的染色體編碼方法，確定解碼方法，選擇合適的適應(yīng)度函數(shù)即目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定遺傳算法自身的參數(shù)等，以找尋最優(yōu)限制指標(biāo)中加權(quán)矩陣Q和R的最優(yōu)解；4.驅(qū)動(dòng)倒立擺硬件實(shí)現(xiàn)。四、進(jìn)度安排第1-2周：理解課題、查閱文獻(xiàn)、撰寫開題報(bào)告、開題；第3-4周：了解了解一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)LQR限制器；第5-8周：熟識(shí)課題算法，完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)工作和外文資料的翻譯；第9-10周：利用遺傳算法對(duì)LQR限制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并驗(yàn)證；第11-14周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；第15周：修改畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；第16周：答辯。參考文獻(xiàn)[1]蔡自興，徐光祐.人工智能及其應(yīng)用.北京：清華高校出版社，2012.[2]易繼鍇，侯媛彬.智能限制技術(shù).北京：北京工業(yè)高校出版社，2012.[3]邢景虎,陳其工,江明.基于LQR的直線一級(jí)倒立擺最優(yōu)限制系統(tǒng)探討.工業(yè)儀表與自動(dòng)扮裝置，3（3):3-5,2007.[4]郭一峰,徐趙東,涂青,冉成崧.基于遺傳算法的LQR算法中權(quán)矩陣的優(yōu)化分析振動(dòng)與沖擊,29(11):217-220,2010.[5]楊平,徐春梅,王歡,朱穎,于超.直線型一級(jí)倒立擺狀態(tài)反饋限制設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),23(1):22-25,2007.[6]楊平,徐春梅,蔣式勤,等等.直線一級(jí)倒立擺PID限制策略仿真及實(shí)際實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息,22(1):83-85,2006.[7]謝麗蓉，李偉．線性二次型最優(yōu)限制在倒立擺系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．重慶工學(xué)院報(bào)，22(8):125-128,2008.[8]LingWang,HaoqiNi,WeifengZhou,et.al.MBPOA-basedLQRcontrolleranditsapplicationtothedouble-parallelinvertedpendulumsystem.EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence,36:262-268,2014.[9]VinodhKumar,JovithaJerome.RobustLQRControllerDesignforStabilizingandTrajectoryTrackingofInvertedPendulum.ProcediaEngineering,64:169-178,201