连续时间系统的目标轨迹预见跟踪控制

针对连续系统的有限时间目标轨迹预见跟踪控制问题,给出了基于轨迹协调误差和切换规则的预见跟踪控制方法.该方法首先将轨迹协调误差和位置跟踪误差连同状态变量的微分组成新的系统状态变量,把跟踪问题转化为调节问题,设计了基于协调误差的带有目标值预见的跟踪控制系统.然后针对复杂目标轨迹跨过不同坐标轴的情况,采用切换系统方法,实现了目标轨迹的全程预见跟踪控制.本文同时是子系统为时变系统的切换系统的典型范例.数值仿真说明了该方法的有效性.      

具有跟踪鲁棒性能的H_∞最优预见控制

研究了一类不确定离散时间系统的鲁棒H∞预见控制问题.其中采用一种新的方法构造扩大误差系统,避免对时变的系数矩阵取差分,从而成功构造简化的扩大误差系统.然后针对所求得的不确定系统的扩大误差系统,通过引入带有预见作用的状态反馈,研究鲁棒H∞保成本控制问题,得到确保鲁棒H∞控制器存在的充分条件及H∞状态反馈控制器的设计方法.该条件可以通过求解一个线性矩阵不等式优化问题而实现.所得控制器回到原系统就得到带有预见作用的最优预见控制器.而且,通过引入积分器,实现闭环系统对目标值信号的鲁棒无静差跟踪.最后的数值算例说明了本文理论的有效性.     

基于有限时间滤波控制的电机驱动系统结构/控制一体化设计

针对电机驱动系统进行了基于有限时间控制器的结构/控制一体化设计.针对电机驱动系统跟踪控制问题,采用有限时间收敛方法设计了跟踪控制器.考虑系统状态信息不可测的情况,设计了有限时间滤波控制器,在估计系统速度信息的同时实现了有限时间跟踪控制.为进一步提升系统控制性能,考虑结构与控制之间存在的耦合问题,对电机驱动系统进行结构/控制一体化设计.首先针对电机驱动系统设计了同时考虑结构优化和控制器优化的一体化性能指标.所设计一体化性能指标能够在满足控制性能要求的同时,得到所能驱动的最大负载.同时优化系统的结构参数与控制器参数能够使控制系统达到全局最优,从而取得良好的控制效果.随后,采用嵌套优化策略对电机驱动系统的一体化设计问题进行简化,采用自适应步长的布谷鸟搜索算法对控制器参数优化问题进行求解,得到了一体化最优解.通过数值仿真验证了所提方法的有效性.      

基于状态观测器的线性离散时间系统的最优预见控制

研究了带有预见信息的线性离散时间系统的状态观测器,并将其应用到预见控制系统.为了满足设计观测器的需要,首先导出了包含可预见的目标值信号和干扰信号的扩大误差系统,并由此得到最优预见控制器.在设计状态观测器时,通过改写输出方程充分利用了可预见的目标值信号和干扰信号.设计的状态观测器针对原系统是全维观测器,而针对扩大误差系统则是降维观测器.最后通过数值仿真证明了所设计的状态观测器的有效性.      

不确定离散时滞系统的H∞保性能预见控制

针对一类具有凸多面体不确定常参数的离散时间时滞系统,研究其H_∞最优保性能预见控制器的设计方法.首先,与以往不同,本文的扩大误差系统仍然保留了时滞,以保证扩大误差系统的状态向量维数不随时滞的增加而增加.其次,针对所构造的扩大误差系统,设计有记忆的状态反馈控制器,并利用线性矩阵不等式方法,导出确保所求控制器存在的条件及该控制器设计的方法.最后,通过建立并求解一个含线性矩阵不等式约束的凸优化问题,给出扩大误差系统的鲁棒H_∞保性能控制器,该控制器对于原系统来说就是鲁棒H_∞保性能预见控制器.      

状态时滞多采样率线性离散广义因果系统的最优输出调节器设计

研究了带有状态时滞的多采样率线性离散时间广义因果系统的最优输出调节器的设计问题.首先利用离散提升技术将原系统转化为形式上无时滞的系统.再通过等价变换,利用系统的因果性特点将其化为一个正常系统.继续对系统进行离散提升,导出一个形式上简单的单采样率系统.然后将原系统的二次性能指标函数修正为单采样率系统的二次性能指标函数,进而利用最优调节原理,得到其最优调节器.再经过变换,得到多采样率系统的最优输出调节器.同时对导出的单采样率系统的能稳定性和能检测性进行了讨论,给出了严格的数学证明.最后的数值仿真表明,本文所设计的最优调节器是有效的.      

基于时变局部模型的无人驾驶车辆路径跟踪

目前常用于无人驾驶车辆路径跟踪控制的有模型控制方法有两类,一类是基于全局模型的控制方法,另一类是基于局部模型的控制方法。基于全局模型的路径跟踪控制中无人驾驶车辆的纵向速度与全局坐标系中的横向、纵向位移误差之间存在随航向角变化的耦合关系,这种耦合关系使得控制器无法将纵向速度作为控制输入来提高路径跟踪控制的精确性。基于局部模型的路径跟踪控制器通常采用误差模型作为参考模型,这种模型使得控制器在参考路径曲率变化幅度较大时精确性较低。针对前述问题,基于非线性模型预测控制滚动优化的原理,提出一种基于时变局部模型的无人驾驶车辆路径跟踪控制方法,并在低速高附着路面、低速低附着路面和高速低附着路面等工况下进行仿真验证。在仿真结果中,相比于基于全局模型的路径跟踪控制器、基于局部模型的路径跟踪控制器以及Stanley路径跟踪控制器,基于时变局部模型的路径跟踪控制器精确性更高,其位移误差绝对值不超过0.3342 m,航向误差绝对值不超过0.0913 rad。      

冷轧煤气退火炉的建模及自校正前馈内模预测控制

本文给出了某1700mm冷轧厂钢卷煤气退火炉数学模型的建立及为补偿煤气压力波动和系统大时延而设计的自校正前馈内模预测控制器。仿真及运行结果均表明系统具有良好的调节和跟踪特性.     

基于反馈线性化的单相电弧炉电极调节系统输出跟踪控制

讨论反馈线性化方法在单相电弧炉电极调节系统控制中的应用.在存在弧长扰动的情况下,应用基于微分几何的线性反馈方法将原非线性系统等价为完全可控的线性系统,以此设计控制器,并进行了Matlab仿真.仿真结果表明,具有跟踪精度高、反应速度快、鲁棒性强特性的反馈线性化控制方法,在单相电弧炉电极调节系统输出跟踪控制中应用后,控制效果良好.     

辊缝型监控AGC纯滞后补偿控制器的算法设计及应用

针对辊缝型监控AGC控制时的滞后特点,采用新型Smith预估策略对监控AGC系统进行纯滞后补偿.根据监控AGC各个主要控制环节的传递函数,推导纯滞后补偿控制器的理论预估模型.采用最优降阶算法对理论模型降阶,给出了基于最优降阶模型下纯滞后补偿控制器的离散化算法及设计步骤.现场实际应用效果表明:带有最优Smith预估算法的辊缝型监控AGC具有稳定性强、动态特性好及稳态精度高的优点.     

基于预瞄距离的地下矿用铰接车路径跟踪预测控制

矿用车辆无人驾驶是实现矿山无人化开采的关键技术, 而路径跟踪控制是无人驾驶系统的核心技术之一.路径跟踪控制系统是多变量、多约束系统, 采用传统方法在多约束条件下存在执行器饱和等问题.针对上述问题, 本文引入模型预测控制方法, 通过考虑车辆的姿态与位置之间的关系, 以跟踪路径的横向偏差最小化和车辆的航向角偏差最小化为目标对预测控制的目标函数进行优化, 以获得车辆速度和铰接角度的最优控制量, 实现对多变量、多约束系统的求解.针对模型预测控制算法不能提前判断道路曲率突变而导致跟踪超调的问题, 提出基于预瞄距离的控制方法, 通过提前判断道路突变信息, 提高车辆路径跟踪精确性和稳定性.使用Matlab/Adams仿真软件进行对比仿真试验, 结果表明: 使用模型预测跟踪控制器能够解决多变量、多约束系统控制问题, 有效防止执行器饱和; 而使用基于预瞄距离的模型预测跟踪控制器能够使车辆的横向位置偏差保持在±0.04 m, 航向角偏差保持在±1.8°范围内, 相较于改进前的控制器, 其横向位置偏差减少了80.9%, 航向角偏差减少了59.1%, 证明改进后的控制器具有更好的横向稳定性和精确性.      

Measurement of integrated sensory-motor function following brain damage by a computerized preview tracking task

A preview tracking task has been developed which has particular application to neurological assessment and rehabilitation. Generated and monitored by a graphic display computer, it permits accurate global quantification of the upper-limb sensory-motor system. The incorporation of 'preview' into the tracking task is considered to significantly increase its effectiveness and relevance in relation to normal daily activities. Applied to three groups of normal subjects, several features of normal psychomotor performance and learning were identified or verified: hand dominance is not significant in overall arm control; learning does not completely plateau; increase in age (15-59 years) results in only a minor overall decrement in performance; an initial wide performance distribution decreases dramatically in subsequent sessions. Applied to brain-damaged patients, particularly head injury or stroke, the preview tracking task allows assessment at regular intervals enabling sensory-motor recovery curves to be generated. The potential of this technique, to help determine the efficacy of therapeutic procedures on the recovery process, is illustrated with the presentation of results from three brain-damaged patients demonstrating zero, significant and disjointed recovery of sensory-motor function. The usefulness of the preview tracking task can be expanded by combination with a less frequently applied but more component specific neurological assessment battery.     

无人驾驶车辆路径跟踪控制研究现状

近年来路径跟踪控制的发展十分迅猛,研究者们发表了大量的研究成果。考虑到在相同或相近工况下的路径跟踪控制存在一些共性的技术问题与解决思路,从低速路径跟踪控制和高速路径跟踪控制两个角度对近年来的研究成果进行了回顾。在关于低速路径跟踪控制的研究工作中,研究者们较为重视前轮转角速度约束等系统约束对路径跟踪精确性的影响。目前减少系统约束影响的方法包括在规划参考路径时将系统约束纳入考虑,采用预瞄控制使控制器提前响应,以及采用线性模型预测控制（LMPC）或非线性模型预测控制（NMPC）等模型预测控制方法作为路径跟踪控制方法等。考虑到NMPC既能减少系统约束的影响,又无需人为设置预瞄距离,且对定位误差等扰动因素具有较强的鲁棒性,加之低速路径跟踪控制对实时性的需求较低,因此可以认为NMPC能够满足低速路径跟踪控制的绝大多数需求。高速路径跟踪控制在受系统约束影响之外,还面临着较高车速带来的行驶稳定性不足问题的挑战,因此常采用能够将动力学层面的复杂系统约束纳入考虑且计算成本较低的LMPC作为路径跟踪控制方法。不过仅采用动力学层面的LMPC控制方法无法完全解决高速路径跟踪控制中路径跟踪精确性和车辆行驶稳定性之间存在耦合的问题,目前常见的解决思路是在路径跟踪控制中加入额外的速度调节或权重分配模块。此外,在高速路径跟踪控制中,地面附着系数等环境参数的影响也较大,因此地面附着系数等环境参数的估算也成为了高速路径跟踪控制领域的重要研究方向。      

Georeferenced Registration of Construction Graphics in Mobile Outdoor Augmented Reality

This paper describes research that investigated the application of the global positioning system and 3 degree-of-freedom (3-DOF) angular tracking to address the registration problem during interactive visualization of construction graphics in outdoor augmented reality (AR) environments. The global position and the three-dimensional (3D) orientation of a user’s viewpoint are tracked, and this information is reconciled with the known global position and orientation of superimposed computer-aided design (CAD) objects. Based on this computation, the relative translation and axial rotations between the user’s viewpoint and the CAD objects are continually calculated. The relative geometric transformations are then applied to the CAD objects inside a virtual viewing frustum that is coincided with the real world space that is in the user’s view. The result is an augmented outdoor environment where superimposed graphical objects stay fixed to their real world locations as the user navigates. The algorithms are implemented in a software tool called UM-AR-GPS-ROVER that is capable of interactively placing static and dynamic 3D models at any location in outdoor augmented space. The concept and prototype are demonstrated with an example in which scheduled construction activities for the erection of a structural steel frame are graphically simulated in outdoor AR.