基于虚约束的Acrobot动态伺服控制统一设计方法

提出一种基于虚约束的统一设计方法,以解决Acrobot系统中动态伺服控制问题,使系统沿着经过目标点的周期轨迹运动.将虚约束设计、虚约束作用下系统零动态微分方程分析以及轨道周期性判定相结合,获得了符合目标的周期轨道方程;基于Lyapunov方法设计了光滑反馈控制器,克服了基于线性二次型调节器（LQR）的控制器对零动态微分方程解析解的依赖性问题.实际算例的仿真结果表明了统一设计方法的有效性.     

基于倒转方法的欠驱动 Acrobot 系统稳定控制

针对欠驱动两杆体操机器人Acrobot, 提出一种新的稳定控制方法.首先,通过利用一个虚拟摩擦力矩为Acrobot 构造一条下摆轨迹;然后,运用倒转的思想为它设计出一条由垂直向下位置到垂直向上位置的期望运动轨迹, 并以此将系统的稳定控制问题转化为跟踪控制问题;最后, 基于最优控制理论来设计跟踪控制器,使Acrobot 能够沿期望轨迹渐近稳定在垂直向上位置处. 仿真结果验证了所提方法的有效性.     

基于能量的Acrobot动态伺服控制

研究了Acrobot垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题.动态伺服控制不同于定点控制和轨迹跟踪控制,而是利用欠驱动系统中存在的周期轨道特性,实现对轨迹的动态跟踪.首先通过对比单摆运动规律寻找到周期轨道所满足的条件;然后利用Lyapunov稳定性理论设计反馈控制律,并给出控制律存在的一系列条件;最后分析了系统中存在的奇点及其对收敛性的影响.仿真实验表明了所设计的控制器是有效的.     

基于能量的 Acrobot动态伺服控制

研究了 Acrobot 垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题. 动态伺服控制不同于定点控制和轨迹跟踪控制,而是利用欠驱动系统中存在的周期轨道特性,实现对轨迹的动态跟踪 .首先通过对比单摆运动规律寻找到周期轨道所满足的条件;然后利用 Lyapunov稳定性理论设计反馈控制律,并给出控制律存在的一系列条件;最后分析了系统中存在的奇点及其对收敛性的影响.仿真实验表明了所设计的控制器是有效的.

     

基于级联标准型的Acrobot反步控制

Acrobot是一种典型的二自由度欠驱动机械系统,针对Acrobot系统镇定控制中需要分别设计起摆控制器和平衡控制器,控制器设计复杂这一问题,提出一种新型的镇定控制策略,该控制策略仅仅需要设计一个控制器,就可以使Acrobot由竖直向下的稳定平衡点起摆,并稳定于竖直向上的不稳定平衡点。首先,采用欧拉-拉格朗日方程为系统建立动力学模型;然后,结合部分反馈线性化,提出一种闭环全局坐标变换方案,将Acrobot系统动力学模型转换为严格反馈级联标准型;最后,采用反步法将系统分为若干个子系统,分别为每个子系统构造Lyapunov函数,并设计虚拟控制输入,最终实现系统的镇定控制。仿真结果表明,所提出的控制策略简单有效,可以应用于与Acrobot系统类似的二自由度欠驱动系统中,具有较高的理论和应用价值。     

基于遗传算法的欠驱动机械臂优化控制研究

欠驱动系统是一类控制器少于系统自由度的二阶非完整系统。提出一种基于遗传算法优化的摇起控制器设计。该控制器主要用于控制Acrobot系统的摇起运动。首先运用部分反馈线性化的状态反馈控制设计摇起控制器,然后利用遗传算法对摇起控制器的三个参数进行在线自调整优化,以确保Acrobot摇起的动态性能达到最优化,为平滑而稳定地切换到平衡控制器提供保障。计算机仿真结果显示,该方法能大大缩短系统摇起到进入平衡状态的时间,并具有良好的动态性能。     

基于免疫优化的平面Acrobot线性自抗扰鲁棒镇定

针对受不确定性影响的平面Acrobot机器人,提出一种基于免疫优化的线性自抗扰鲁棒控制设计方法,实现机器人末端点从任意初始位置到达并镇定在目标位置.首先,借助驱动关节与被动关节角度之间的状态约束获取机器人末端点位置与驱动关节角度的对应关系,使末端点的位置控制转换为驱动关节的角度控制;其次,为缩短运动路径加入最小角度位移限制条件,设计免疫算法求解目标位置所对应的驱动关节角度的最小期望值;再次,引入线性自抗扰控制技术,把机器人的模型不确定性、未知干扰等因素视为一个新的扩张状态变量,设计线性扩张状态观测器和基于状态误差的反馈控制器,在仅驱动关节角度可测的情况下实现Acrobot的鲁棒镇定;最后,通过仿真实验验证所提出方法具有更好的鲁棒控制性能.     

基于位置的机械臂视觉伺服预测控制

基于位置的机械臂视觉伺服控制需要解决位姿估计和目标跟踪控制问题.为了克服机械臂运动过程中的运动空间约束,提出了基于滚动时域估计(MHE)的机械臂位姿估计方法.在位姿估计的基础上,利用对偶梯度上升方法以及拉格朗日乘子处理具有控制输入约束的优化问题,并给出了基于迭代线性二次调节(iLQR)的视觉伺服预测控制器设计方法.进一步,采用极点配置方法设计了扩张状态观测器(ESO)用于解决估计误差和线性化误差引起的扰动问题.进而,给出了保证闭环系统稳定的充分条件.最后,通过仿真对比验证了本文所提算法的有效性和优越性.     

控制量前具有不确定系数的电液伺服系统自适应控制

针对控制输入前具有不确定系数的电液伺服位置系统精确跟踪控制问题, 提出了一种改进的自适应Backstepping控制器设计方法. 该方法通过对系统模型的等价变换和选择合适的Lyapunov函数, 有效解决了系统模型中控制输入前存在不确定系数而导致所设计的控制器存在参数自适应律, 而自适应律中存在控制量造成的嵌套难题. 以驱动连铸结晶器的电液伺服位置系统为例, 进行了控制器的设计和稳定性证明. 仿真研究结果表明, 所提出的改进设计方法是可行的, 设计的控制器具有较强的鲁棒性和良好的跟踪性能.     

基于DSP的高精度陀螺稳定平台伺服控制器研制

设计了一个基于TMS320F2812 DSP的陀螺稳定平台伺服控制器,详细介绍了系统的软硬件设计.该控制器充分利用了DSP芯片周边接口丰富、运算速度快的特点,使所设计的系统硬件结构简单;将摄像机的位置和速度采样值作为反馈值组成位置和速度闭环,摄像机获得的目标位置作为给定值,控制器速度环采用模糊控制.实验结果表明,该系统硬件结构简单、稳定性好,具有良好的稳态和动态性能,能够满足稳定平台的性能要求.     

一种非线性多环递归自适应跟踪控制

针对控制输入有界的变参数广义高阶非线性系统跟踪控制问题,给出一种多环递归跟踪的鲁棒控制方法.通过分层引入虚拟跟踪器,将高阶系统分解为多个独立子系统;内环虚拟跟踪器使内环输出指数收敛于外环虚拟输入,最内环设计自适应控制器补偿参数摄动和外部干扰,并保证输出指数收敛于外环虚拟输入;多环递归跟踪实现系统输出精确跟踪期望输入,理论证明闭环系统的全局渐近收敛性.数值仿真验证了多环跟踪控制器的可行性和合理性.     

基于T-S模糊模型的转台鲁棒最优控制器设计

针对飞行器仿真转台系统的非线性以及不确定性问题,提出了基于T-S模糊模型的鲁棒最优控制器设计方法.首先,利用IF-THEN模糊规则将转台速度环系统的状态空间分成不同的区域,构建具有参数不确定性的T-S模糊模型;然后,根据给定的最优性能指标要求以及控制输入约束,通过求解一组线性矩阵不等式(LMIs)进行鲁棒最优控制嚣设计.仿真结果表明,该方法不仅具有比较好的控制效果,而且能有效地解决控制输入约束问题,并能很好地保证对参数变化的鲁棒稳定性.     

惯导解算误差的自动驾驶仪设计方法

空空导弹在应急发射时,主、子惯导未进行传递对准,会导致自动驾驶仪调参出现误差;针对这个问题,提出了一种参数空间方法与变结构控制相结合的控制方案;采用参数空间方法设计自动驾驶仪阻尼回路,实现对弹体的增稳作用;采用基于趋近律的积分型变结构控制设计自动驾驶仪过载回路,实现对过载指令的精确跟踪;对标称状态下设计的自动驾驶仪,在惯导解算误差条件下进行校核;仿真结果表明,该方法在自动驾驶仪出现调参误差的情况下,可以有效提高控制系统稳定性。     

基于DSP的欠驱动体操机器人的摇起控制设计

针对欠驱动机器人控制系统,给出一种基于DSP控制的类人形的三关节欠驱动体操机器人。首先以ADSP2181为核心设计出控制器,通过高速PCI总线与上位机PC通讯,采用直流电机伺服控制。然后依据建立的体操机器人动力学模型提出基于能量增加的正弦和斜坡函数输入方式,经对体操机器人作摇起控制实验,实验显示,设计的三关节欠驱动体操机器人控制系统满足实时性、稳定性和准确性要求。     

Nonlinear cascade control of an electro-hydraulic actuator with large payload variation

Electro-hydraulic actuators have been widely used in industrial production, but the unknown variable payload seriously affects its position control accuracy. Therefore, a radial basis function neural network disturbance observer is designed to estimate the lumped disturbance force through strong online learning ability in the absence of force sensor. Besides, a nonlinear cascade controller with double loop structure is proposed in this paper. A global fast terminal sliding mode control method is firstly applied in the outer loop position system, which can eliminate chattering and improve convergence speed comparing to traditional sliding mode control. The inner loop force system adopts a backstepping control method to calculate the actual input of the whole system. Theoretical analysis indicates that the proposed controller is stable even if existing time-variant disturbance. Moreover, three comparative controllers are designed and tested in both simulations and experiments. Comparative results show that the developed method has absolute average errors of 1.14 and 0.49 mm in different position tracking, which means more satisfactory tracking performance compared to the contrast controllers.     

Virtual control with hard constraints

Practical control problems are always subject to plant state and/or input constraints, which make designing an effective controller a challenging task. This paper introduces a novel virtual control approach to handling the presence of hard constraints in control systems by utilizing virtual mechanisms in the form of nonlinear springs and dampers. The augmented virtual mechanisms are to assist in better shaping the closed‐loop responses, especially when operating near the constrained boundary. A linear quadratic regulator based model predictive control method is utilized to develop stabilizing controllers that not only achieve desired system performance, but also meet the imposed hard constraints. The basic idea is to dramatically increase control penalty by way of tuning the spring and damper effect when the constrained state/input response is close to its hard constraint. The proposed method is applied to a balancing ball problem to demonstrate its applicability and effectiveness, and the simulation results validate the proposed concept.     

基于T-S模型的体操机器人系统模糊变结构控制

针对体操机器人（Acrobot）这类非线性系统，给出一种基于T—S模型的模糊变结构控制律设计．首先采用T—S模型建模,得到Acrobot的全局模糊模型;然后基于Lyapunov理论设计出保证Acrobot全局渐近稳定的模糊变结构平衡控制器．仿真结果表明，所设计的模糊变结构控制器与普通变结构控制器相比．可使Acrobot系统在垂直向上平衡点附近具有更大的吸引域和更强的鲁棒性．     

Plasma vertical stabilization with actuation constraints in the DIII-D tokamak

In the advanced tokamak (AT) operating mode of the DIII-D tokamak, an integrated multivariable controller takes into account highly coupled influences of plasma equilibrium shape, profile, and stability control. Time-scale separation in the system allows a multi-loop design: the inner loop closed by the nominal vertical controller designed to control a linear exponentially unstable plant and the outer loop closed by the nominal shape controller designed to control a linear stabilized plant. Due to actuator constraints, the nominal vertical controller fails to stabilize the vertical position of the plasma inside the tokamak when large or fast disturbances are present or when the references coming from the shape controller change suddenly. Anti-windup synthesis is proposed in this paper to find a nonlinear modification of the nominal vertical controller that prevents vertical instability and undesirable oscillations but leaves the inner loop unmodified when there is no input saturation.     

考虑输入约束的半主动悬架非线性自适应控制

针对具有输入约束及参数不确定性问题的汽车半主动悬架系统,提出一种考虑输入饱和的非线性自适应Backstepping控制器.该方法引入一个辅助系统,通过设计新的误差变量,实现对控制饱和的补偿,解决控制输入的幅值约束问题.同时,考虑到悬架系统的参数不确定性问题,采用映射自适应算法设计自适应律,通过构造适当的Lyapunov函数,保证悬架系统的稳定性.仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的隔振性能,而且能够有效降低输入约束和不确定参数对系统性能的影响.