基于生物启发模型的欠驱动水平TORA系统的有界输入镇定控制

针对欠驱动水平TORA(translational oscillators with rotating actuator)系统,提出一种基于生物启发模型的有界输入控制方法,实现系统在执行器存在饱和约束情况下的镇定控制.首先,根据水平TORA系统的动力学模型分析系统的无源特性,进而给出系统的控制目标;接着,基于无源特性构造一种新颖的Lyapunov函数,在此基础上设计一种结构简单的非线性状态反馈控制器;然后,考虑执行器的饱和约束条件,引入受生物启发建立的神经动力学模型,利用该模型的有界平滑输出特性,设计一种改进的状态反馈控制器;最后,根据LaSalle不变性原理对系统的稳定性进行严格的数学分析和证明.与其他方法相比,所提方法不仅考虑了执行器的饱和约束问题,而且设计的控制算法简单高效,易于工程实现.仿真与对比结果表明,所提方法具有更好的控制性能.     

基于级联型具有旋转激励的平移振荡器系统的滑模控制

针对欠驱动具有旋转激励的平移振荡器(TORA)系统的控制问题,本文首次提出一种全局滑模控制方法,使闭环系统在整个控制过程对外界干扰均具有鲁棒性.相比已有控制方法,本文所提方法结构简单,便于实现;而且放宽了对外界干扰的假设条件,可实现闭环系统的全局滑模控制.具体而言,本文首先将系统模型变换为由两个子系统组成的级联形式;随后,针对内环子系统设计了一种虚拟控制输入,在此基础上构造了一种新颖的滑模面并设计了相应的滑模控制器;最后,通过严格的数学分析证明了闭环系统的稳定性及系统状态的渐近收敛性,利用数值仿真测试检验了本文所提方法的控制性能.通过与已有方法进行仿真对比可知,本文方法在镇定控制与鲁棒性方面均表现出良好的控制性能.     

一类具有执行器饱和的非线性系统抗饱和方法研究

针对一类具有执行器饱和的非线性控制系统, 提出了一种双环路的动态抗饱和补偿方案, 为执行器输出受限的非线性系统提供了新思路. 与现有结果相比, 所提方案能更好地改善闭环系统控制性能. 考虑执行器饱和约束, 通过优化执行器饱和发生前后控制器的状态误差的积分性能指标, 综合设计一类同时包含传统抗饱和及延迟抗饱和补偿器两个环路的改进抗饱和补偿器, 这类补偿器有效地抑制了饱和现象对控制器的影响, 从而降低了执行器饱和对控制系统性能的影响. 当系统存在高饱和度现象时, 利用该双环路抗饱和补偿器, 可以最大程度弱化饱和对系统性能的影响. 最后, 利用输入状态稳定 (Input state stability, ISS) 定理分析和证明了该闭环系统全局一致有界稳定. 并通过舵机执行器受约束的舵减横摇系统的仿真试验, 验证了该方案的有效性及优越性.     

基于θ-D方法的欠驱动TORA系统非线性最优控制

针对TORA (Translational oscillator with rotating actuator)系统的镇定控制问题, 提出一种基于$\theta $-D方法的非线性最优控制方案.应用拉格朗日方程建立TORA系统的数学模型, 为保证状态空间形式的TORA系统数学模型中状态向量系数矩阵$A(\pmb{x})$能够分离出常值矩阵, 且其能与控制位置矩阵构成可控对, 采用不同于传统形式的解耦坐标变换对TORA系统进行了处理, 以此为基础为TORA系统设计基于$\theta $-D方法的非线性最优控制器, 该控制方案可离线得到控制输入的显示表达式.通过数值仿真以及与基于局部线性化的线性最优控制方案进行比较, 验证了所提非线性最优控制方案所具有的良好瞬态性能.     

欠驱动基准系统的约束控制

针对一种欠驱动基准系统,具有旋转激励的平移振荡器(translation oscillators with rotating actuator,TORA)系统,本文首次提出了一种具有约束的控制方法.该方法不仅可以保证闭环系统的稳定性,而且能够保证旋转小球在预设的范围内转动.相比已有控制方法,本文所提方法可以预设小球的转动范围以避免不理想的"循环"行为.具体而言,首先对系统的总机械能进行了详细分析;随后在其总机械能的基础上通过能量整形构造出一个新颖的能量函数;最后基于所构造的能量函数提出了一种具有约束的控制器,采用Lyapunov方法及La Salle不变性原理证明了相应闭环系统的稳定性.通过与已有方法进行仿真对比可知,本文方法在镇定控制与约束控制方面均表现出良好的控制性能.     

考虑状态约束与执行器饱和的水下机器人轨迹跟踪控制

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设计一个非线性观测器进行估计并用于对控制器进行扰动补偿;接着,引入执行器饱和补偿系统、二阶滤波器以及滤波器误差补偿系统,设计命令滤波反步滑模控制器来控制水下机器人的水平面轨迹跟踪;最后,严格验证命令滤波反步滑模控制器的稳定性并进行数值仿真,验证所提出控制器的有效性.     

欠驱动TORA系统的自耦PID控制策略

针对欠驱动旋转激励平移振荡器(translational oscillations with a rotational actuator,TORA)系统的控制问题,使用一种自耦PID(self-coupling proportional-integral-differential,SCPID)控制方法.该方法首先利用坐标变换使TORA系统的质心映射为Huygens振动中心,以实现新系统控制输入解耦,避免零动态不稳定问题;然后对Huygens振动中心设计平移位置的SCPID控制器,同时获得小球偏转角度的虚拟指令,进而设计小球偏转角度的SCPID控制器,从而实现TORA系统的平衡点跟踪控制;最后在复频域对闭环控制系统的稳定性进行严格的数学分析和证明.仿真及与其他方法的结果对比表明,所设计的控制算法简单高效,在欠驱动控制系统领域具有实际的应用价值.     

增强耦合的TORA系统镇定控制方法设计

针对欠驱动TORA系统,设计一种镇定控制器和增强型耦合控制器。根据TORA系统的动力学模型,分析旋转小球与平移振荡器之间的耦合关系和系统的无源特性。构造一个新型的Lyapunov函数,并得到一种耦合镇定控制器。采用Lyapunov方法和LaSalle不变性原理证明了闭环系统的稳定性。最后,通过改进所设计的控制器得到一种增强型耦合控制器。仿真结果验证了所提出控制器的有效性和优越性。     

一体化执行器饱和线性矩阵不等式跟踪容错控制器设计

针对一类执行器幅值饱和的不确定非线性系统,提出了基于线性矩阵不等式的一体化主动容错控制器设计方法.考虑执行器传感器同时故障情形,采用系统增维方法,将原系统等效转化为仅含执行器故障虚拟系统,简化了容错控制器设计.其次采用凸组合法对执行器饱和非线性进行描述,确保控制输入始终在幅值范围以内.在此基础上,设计了集自适应估计律与控制器于一体的主动容错控制器,并将控制器增益解算方法,转化线性矩阵不等式约束下的优化问题.最后通过飞机数值算例验证了设计方法的有效性.     

TORA的动力学建模及基于能量的控制设计

针对旋转小球在垂直平面内运动的欠驱动TORA (Translational oscillators with rotating actuator), 采用基于能量的方法, 设计了系统的状态反馈控制器. 基于拉格朗日方程, 建立了TORA的动力学模型, 从能量的角度出发, 说明了系统的无源特性, 在此基础上设计了一个合适李亚普诺夫函数, 从而得到了系统的控制算法; 采用拉萨尔不变性原理分析了控制系统的稳定性. 数值仿真实验证明了控制器的有效性.     

Energy-to-peak performance controller design for building via static output feedback under consideration of actuator saturation

The paper presents a static output feedback controller design approach for seismic-excited structures. An energy-to-peak control performance is used and actuator saturation is taken into consideration. By combining the linear matrix inequality (LMI) technique and the random search results of genetic algorithm (GA), a desirable static output feedback controller can be computed. Two building structures under seismic loads are used to validate the effectiveness of the proposed method in reducing the structural vibration. Simulation results also show that the energy-to-peak performance based controller can well realize the peak response suppression requirement and the static output feedback controller can achieve the same level of control performance as that of a full-state feedback controller.     

基于最大反馈线性化的TORA系统非奇异镇定控制

针对TORA系统的镇定控制问题,提出一种基于最大反馈线性化的非奇异控制器设计方案.应用拉格朗日方程建立TORA系统的数学模型,采用微分代数方法计算TORA系统中具有最大相对阶的虚拟输出函数,以此为基础通过反馈线性化将TORA的数学模型转化为具有稳定内动态的三阶线性系统,采用极点配置方案为TORA系统设计镇定控制器.为了解决控制律中存在的奇异值问题,采用梯度动力学方法对控制器进行调整.最后通过仿真分析验证基于最大反馈线性化的控制方案的有效性.     

考虑执行器饱和的改进无模型自适应控制

无模型自适应控制（Model free adaptive control,MFAC）是一种数据驱动的控制方法,具有计算简单、鲁棒性强、无需建模等优点.目前无模型自适应控制方法普遍未考虑可能出现的执行器饱和问题.本文针对这一问题,对执行器执行能力存在上限的情况设计了改进算法.该算法通过对控制输入准则函数引入约束条件,使用Hildreth方法进行数值求解,具有编程简单、计算量小的优点.在此基础上分析并证明了闭环稳定性.最后以蒸馏塔模型为控制对象,通过对比仿真实验验证了算法的有效性.     

基于约束H∞输出反馈的四轮转向模型跟踪控制

以跟踪参考模型为控制策略,提出一种基于约束H_∞输出反馈控制的四轮转向（4WS）控制新方法．将前馈控制和反馈控制相结合,同时控制前、后轮转角,以实现实际车辆模型对参考模型的期望性能跟踪．兼顾抗干扰能力与执行机构输出饱和,将约束H_∞输出反馈控制应用于反馈控制器的设计．仿真实验表明所设计的4WS车辆系统可以很好地跟踪参考车辆模型,提高了车辆的操纵稳定性．     

饱和非线性时滞系统约束预测控制

针对一类具有执行器饱和与输出约束的离散非线性时滞系统,提出新的模糊预测控制方法。首先,采用T-S模糊模型来逼近实际非线性系统,运用平行分步补偿（PDC）原理将该系统转化为一系列线性系统的凸组合。其次,通过每个采样时刻优化无穷时域的“min-max”性能指标来求解状态反馈预测控制器,得到系统满足Lyapunov渐近稳定的充分条件,并进一步将该条件转化为基于线性矩阵不等式（LMI）技术的半正定规划（SDP）问题。最后,通过数值仿真验证该方法的有效性。     

Robust H∞ dynamic output feedback control for spacecraft rendezvous with poles and input constraint

This paper is concerned with the output feedback control problem for spacecraft rendezvous subject to target angular velocity uncertainty and controller uncertainty, external disturbance and input constraint. A general full-order dynamic output feedback (DOF) controller is proposed. As a stepping-stone, the H_∞ performance requirement, poles and input constraint are analysed separately via linear matrix inequalities (LMIs). Then, with the obtained results, the controller design problem is cast into a convex problem subject to a set of LMI constraints through a critical change of controller variables. Furthermore, when the system states are all available, a reduced sufficient condition of the non-fragile state feedback controller is given. Compared with existing results, the designed controller has overcome the disadvantage of strictly proper DOF controller, where the initial value of the control input is zero. Besides, the constraint on poles placement is relaxed. A numerical simulation is performed to verify the effectiveness of the proposed method.