柔性航天器饱和鲁棒正位置反馈振动控制研究

为了增强柔性航天器用正位置反馈(PPF)实现振动的主动控制的鲁棒性,在考虑作动器的控制输入限制的情况下,基于李亚普诺夫函数和线性矩阵不等式(LMI)方法设计了一种新型鲁棒PPF控制器.该控制器通过引入系统参数不确定项,将具有控制受限的优化问题转化为求解具有LMI约束的广义特征值问题,实现了闭环系统的稳定性.仿真结果表明了此种方法的有效性以及优点.     

形状记忆合金驱动导管机器人的动力学仿真研究

研究了由骨架弹簧和形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧组成的柔性导管机器人的动态特性。基于导管力学模型、SMA的本构和传热方程,系统地提出了一套完整的建模方法。由于SMA具有滞回和饱和等强非线性属性,传统的比例积分微分(PID)控制方法用于导管机器人中很难获得精确的控制效果,因此针对性地设计了参数自整定模糊PID控制器。仿真结果验证了模型的正确性,并显示出模糊PID对这种结构具有良好的控制效果。这种建模和控制方法,为单个SMA弹簧驱动导管机器人的实际应用和多驱动器的导管机器人的控制研究奠定了基础。     

基于扩张状态观测器的磁悬浮球连续滑模控制

针对磁悬浮球系统具有非线性、模型不确定性和易受干扰影响的特点,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的连续滑模控制方法(CSMC)。该控制方法采用ESO对系统的扰动进行观测和估计,再将扰动估计值作为连续滑模控制器的补偿量,以克服不确定性和外界扰动的影响,进一步提升了连续滑模控制器的控制性能。仿真和实验验证了所提方法的有效性。结果表明,与连续滑模控制方法(CSMC)相比,ESO-CSMC具有更强的抗干扰性能。     

无模型控制在气动变载荷加载系统中的应用

针对气动加载系统压力跟踪控制中强非线性、强耦合性、模型不精确性等问题,提出一种无模型自适应控制(model-free adaptive controller,MFAC)器,该控制器结构简单、参数少、不需要被控系统的数学模型,是一种低成本的控制器.其中的伪偏导数估计算法仅需利用受控系统的输入输出数据来估计伪偏导数,使该算...     

两自由度导管机器人的动力学仿真研究

对三形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧驱动的导管机器人的动态特性进行了研究。首先基于综合力学方程、SMA的本构方程和传热方程建立了动力学模型,然后针对双输入双输出(TITO)系统的2个自由度间存在强耦合和因SMA的高度非线性使得难以采用解耦实现对相邻SMA驱动器控制的现象,设计了具有混合结构的模糊控制器。它用传统的模糊控制器控制系统的2个自由度,同时用耦合模糊控制器补偿2个自由度之间的耦合作用。仿真结果表明,所推导的动力学模型能够正确描述这种结构的特性,并且混合模糊控制器具有良好的控制效果。     

基于LMI方法的网络化保性能PID控制

针对具有双边时变时延和数据丢包的网络控制系统(NCSs),研究了基于线性矩阵不等式(LMI)方法的二阶过程网络化保性能比例积分微分(PID)控制。通过采用状态反馈的增广状态空间模型重新描述了具有典型二阶传递函数形式的控制对象和PID控制增益,同时结合时滞系统的分析方法,将PID跟踪控制器参数选择归结为LMI求解问题。进一步地,采用自由权矩阵、互逆凸组合以及锥补线性化方法,给出了满足性能的控制器参数的求解方法,实现了采用传统的PID控制方法实现网络化轨迹跟踪控制。最后通过示例仿真和实验,验证了本文所提方法的有效性。     

基于奇异摄动法的固定翼无人机优化PID控制

为了提高固定翼无人机(UAV)飞行控制的精准性与响应速度,降低因固定翼非线性系统耦合而造成的控制误差,提出了基于奇异摄动分解的固定翼无人机动力学建模及控制方法。首先对固定翼无人机的速度和姿态进行动力学建模,采用小扰动理论将非线性模型线性化。对于线性化处理后的固定翼无人机动力学模型,将速度、角度作为慢变量,角速度作为快变量,转换为奇异摄动模型,再对奇异摄动模型进行快慢分解,得到两个降阶子系统,即以线速度、角度为状态变量的慢子系统和以角速度为快变量的快子系统。分别对快、慢子系统设计比例积分微分(PID)控制器,最后,用Simulink仿真验证了基于快、慢分解的优化PID方法的可行性以及有效性。     

A study of composite moving-mass control for high-altitude aerostats

将变质心姿态控制应用到高高空浮空器上,推导出了高高空浮空器变质心动力学模型,给出了变质心姿态运动机理.采用广义逆方法,并考虑到执行机构操纵效率约束,设计了高高空浮空器非线性复合控制器.该控制器通过执行机构权值的设置实现效率分配和故障复现,通过加权广义逆控制实现控制量的分配,从而实现控制系统重构.以某巨型柔性浮空器为例,进行了气动舵面、变质心和矢量推力共同作用的复合控制系统研究,并给出了纵向平面内轨迹高度跟踪的仿真结果.结果表明,加权广义逆方法很好地实现了复合控制的分配和重构,并给出了控制能量最小的解,提高了控制系统的操纵效率和可靠性.     

SMA迟滞系统的PID控制及参数优化研究

形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)是一类新型功能材料,作为电热驱动器,广泛应用于工程领域。但由于材料内在的非线性性质和迟滞效应使其在控制系统的设计和热力学建模上较为困难,不利于简单控制系统和实时控制的实现。基于Preisach理论给出SMA驱动器系统的温度-位移迟滞模型,分析系统的热传导过程,将传统的比例-积分-微分PID(proportional-integral-differential,PID)策略应用于控制器的设计,并引入蚁群和粒子群两类智能算法优化控制器参数,讨论优化过程和控制效果;与传统PID参数整定方法相比,系统的阶跃响应和正弦信号跟踪性能取得比较理想的效果,且智能算法调节控制器参数的实时性更强,克服非线性和迟滞效应的影响。     

基于隐核最小二乘回归的逆控制

基于对核特征空间和最小二乘回归算法的深入研究,提出一种新的非线性隐核最小二乘回归算法(HK-LSR)并将其应用于非线性系统的逆学习控制.仿真表明,该方法具有良好的泛化性能,所构造的逆学习控制器具有令人满意的控制性能.     

汽车动力总成主动悬置系统分层控制策略研究

针对汽车动力总成主动悬置系统结构特点,考虑作动器动态特性对系统控制精度的影响,提出了一种分层控制方法。在对三自由度1/4车主动悬置系统分析的基础上,推导了悬置系统和电磁作动器控制电路的数学模型,采用分层控制策略对悬置部分和作动器电路部分设计了上、下层控制器。上层悬置控制器采用综合性能较好的LQR控制,并利用遗传算法对其性能指标权重系数进行优化;下层作动器电路部分采用简单实用的PID控制,并利用粒子群算法对其参数进行优化。最后,通过对所设计的主动悬置系统设置两种典型工况进行仿真验证。结果表明:相比于传统控制,按照分层控制策略设计的主动悬置系统能够针对汽车不同工况实施更精确的控制,并且具有较强的鲁棒性和力跟踪性。     

基于PI迟滞模型的压电驱动器自适应辨识与逆控制

压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳.本文采用经典PI模型描述压电驱动器的迟滞非线性,利用自适应投影算法对PI模型的权向量进行在线辨识,并与传统的最小二乘辨识方法进行比较.迟滞PI模型的优点是模型存在解析逆,因此本文对压电驱动器采用自适应逆跟踪控制,利用驱动器的输出位移与参考位移之差使用自适应投影算法在线辨识PI模型的权向量,并计算PI逆模型的权向量和阈值,最终得到要输入的电压值.最后实验结果表明自适应逆跟踪控制比传统的逆模型跟踪控制精度提高了49.8%.     

光电层合圆柱薄壳的自组织模糊主动振动控制

本文针对当前的光致伸缩驱动器构型在壳类结构的振动抑制中不能产生负膜力的问题,提出了一种新型的多片组合驱动器构型。并将该构型层合在圆柱薄壳结构的上下表面,建立了光电层合圆柱壳独立模态振动控制方程。考虑到光致伸缩驱动器的非线性和时变驱动特性,以及模型的不确定性,设计了基于性能函数负梯度调节的规则自组织模糊主动控制器,克服了常规模糊控制器控制规则设计的困难;为了验证上述提出的控制策略的有效性,进行了数值仿真;仿真结果表明提出的自组织模糊控制器取得了理想的振动控制性能,实现了柔性薄壳结构的非接触主动振动控制。     

基于T-S模糊模型的主动悬架滑模容错控制器设计

针对主动悬架系统的质量参数不确定性以及作动器出现的随机故障对车辆行驶平顺性和控制稳定性带来的重要影响,该文提出一种基于T-S模糊模型的主动悬架滑模容错控制器设计方法。为了描述悬架参数不确定性,基于T-S模糊模型建立1/4车辆的非线性模型,利用故障调节因子表示作动器故障的大小,进而获得考虑悬架系统质量不确定性和作动器故障的车辆主动悬架控制模型。接着,将滑模控制与自适应理论结合,设计合适的滑模面函数和滑模容错控制律,以达到故障悬架系统的容错控制目的;并基于Lyapunov稳定性理论,对所提出控制器稳定性和悬架系统安全约束性能进行了分析。最后,给出一个仿真算例,验证了所设计控制器的有效性和适用性。     

一类带有未知控制方向的非线性系统的模糊自适应事件触发容错控制

针对带有未知控制方向、未知非线性函数以及执行器故障的不确定非线性系统,研究了相应的模糊自适应事件触发容错控制问题。首先,运用反步法和模糊逻辑系统 (FLS) 理论知识相结合,构造出自适应事件触发容错控制器和自适应更新律,有效地补偿了执行器故障对系统的影响。其次,在自适应事件触发容错控制器的设计中引入了 Nussbaum 函数。最后,所设计的控制方案保证了闭环信号在给定紧集内一致最终有界,且仿真结果验证了本文所提出的控制方案的有效性。     

压电陶瓷片迟滞补偿建模及悬臂梁主动控制研究

为增强压电悬臂梁振动控制效果,提出一种基于最小二乘法的逆迟滞补偿控制算法。在不同电压下对压电陶瓷片位移进行实测,应用最小二乘法对其迟滞环进行多项式拟合建模,并利用压电片逆迟滞补偿模型对控制电压进行补偿。通过悬臂梁振动主动控制试验系统研究PID控制器在有、无逆迟滞补偿时的控制效果。结果表明:经过PID逆迟滞补偿后的主动控制效果比传统PID提高10.083%。因此,该逆迟滞补偿方法能够有效增强压电陶瓷片的主动控制效果,对于压电悬臂梁振动主动控制具有重要参考价值。     

主动隔振作动器刚度放大与控制误差分析

研究了主动隔振系统中作动器的刚度放大与控制误差问题。主动隔振系统中作动器的刚度应与其负载刚度相匹配,如果负载较大或者作动器刚度较小,可以利用作动器与小刚度弹簧串联的方式放大输出刚度。分析了控制器的输出误差均匀分布时主动隔振系统的隔振性能,分析表明,对作动器刚度放大时,需要同时提高控制器的相对精度与作动器的行程才能保证原有的隔振效果,作动器的输出刚度与控制器相对精度、作动器的输出行程两参数具有等效性与替代性。这为设计主动隔振系统时控制器与作动器在更广阔的范围内选择提供了依据。     

结构主动控制的一体化多目标优化研究

基于Pareto多目标遗传算法提出了结构主动控制系统的一体化多目标优化设计方法,对作动器位置与主动控制器进行同步优化设计.外界激励采用平稳过滤白噪声来模拟,在状态空间下通过求解Lyapunov方程,得到结构响应和主动控制力的均方值.主动控制器采用LQG控制算法来进行设计.以结构位移和加速度均方值最大值与相应无控响应均方值的最大值之比,以及所需控制力均方值之和作为多目标同步优化的目标函数.优化过程还考虑了结构与激励参数对优化结果的影响.最后以某6层平面框架有限元模型为例进行了计算机仿真分析,结果表明所提出的主动控制系统多目标一体化优化方法简单,高效,实用,具有较好的普适性.     

受饱和约束的车辆转向非线性鲁棒模糊分布控制

针对极限状态下车辆转向非线性和执行器饱和问题,研究主动前轮转向(active front steering, AFS)和直接横摆力矩控制(direct yaw-moment control, DYC)对横摆-侧倾稳定的集成控制。采用Takagi-Sugeon(T-S)方法建立车辆3自由度横摆侧倾模型,结合模糊观测器实时获取模型动态参数。为准确反映车辆转向稳态过程,在T-S框架下建立改进横摆理想参考模型。考虑到极限转向对前轮侧偏特性的影响,构建T-S框架下主动前轮输入的动态饱和阈值。引入松弛因子提高AFS和DYC的执行器利用率,将反馈输入的饱和影响作为有界扰动进行控制。基于分布补偿结构设计状态反馈模糊分布控制器(parallel distributed compensation-TS,PDC-TS),采用范数有界的侧翻稳定阈作为侧倾性能约束,将车辆横摆-侧倾稳定性的H;性能转换为线性矩阵不等式(linear matrix inequalities, LMIs)凸优化问题。最后联合Trucksim-MATLAB/Labview软件进行控制仿真和硬件在环验证,结果表明,PDC-TS方法对强非线性转向过程的控制更加准确,执行器能力利用更充分,并在输入饱和约束下保持控制稳定性。     

受饱和约束的车辆转向非线性鲁棒模糊分布控制

针对极限状态下车辆转向非线性和执行器饱和问题,研究主动前轮转向(active front steering, AFS)和直接横摆力矩控制(direct yaw-moment control, DYC)对横摆-侧倾稳定的集成控制。采用Takagi-Sugeon(T-S)方法建立车辆3自由度横摆侧倾模型,结合模糊观测器实时获取模型动态参数。为准确反映车辆转向稳态过程,在T-S框架下建立改进横摆理想参考模型。考虑到极限转向对前轮侧偏特性的影响,构建T-S框架下主动前轮输入的动态饱和阈值。引入松弛因子提高AFS和DYC的执行器利用率,将反馈输入的饱和影响作为有界扰动进行控制。基于分布补偿结构设计状态反馈模糊分布控制器(parallel distributed compensation-TS,PDC-TS),采用范数有界的侧翻稳定阈作为侧倾性能约束,将车辆横摆-侧倾稳定性的H;性能转换为线性矩阵不等式(linear matrix inequalities, LMIs)凸优化问题。最后联合Trucksim-MATLAB/Labview软件进行控制仿真和硬件在环验证,结果表明,PDC-TS方法对强非线性转向过程的控制更加准确,执行器能力利用更充分,并在输入饱和约束下保持控制稳定性。