考虑输入受限及干扰影响的欠驱动TORA系统的镇定控制研究

作     者：崔臣臣 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘昌忠

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：TORA 欠驱动系统 输入受限 输出反馈 镇定控制 线性扩张状态观测器 

摘      要：具有旋转激励的平移振荡器(Translational Oscillator with Rotating Actuator,TORA)的控制输入个数少于自由度的个数,是一类典型的欠驱动系统。同时由于它具有强耦合,高度非线性的特点,常被作为一种欠驱动基准系统用于非线性控制器设计及非线性控制算法的性能检验。此外,在工程上,TORA系统常作为主动质量阻尼器(Active Mass Damper,AMD)用于大型实际工程系统的主动振动抑制。因此,对TORA系统进行控制问题研究具有重要的理论和实际意义。目前国内外对欠驱动TORA系统进行了比较广泛的研究,也取得了丰富的研究成果,但是在实际应用中,系统的输入由于物理特性的限制只能提供有限的控制力矩,而且出于成本及系统结构的考虑,系统的角速度信息往往难以测量。此外,系统还不可避免地会受到各种不确定外界干扰的影响,所以有必要研究欠驱动TORA系统在输入受限及外界干扰影响的输出反馈控制问题。本文以欠驱动水平TORA系统为研究对象,结合生物启发模型、新颖储能函数和线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)技术,研究欠驱动TORA系统在输入受限、角速度不可测及外界干扰影响下的镇定控制问题,旨在提出一种非线性有界输入的输出反馈镇定控制方法。具体工作如下:(1)针对输入受限的问题,提出一种基于生物启发模型的欠驱动TORA系统有界输入稳定控制方法,解决实际应用中执行器存在饱和约束的问题。首先,根据系统的无源特性构造一种新颖的Lyapunov函数;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,利用其有界和平滑输出特性设计一种有界输入的控制器;最后,根据Lyapunov稳定性理论和LaSalle不变集原理对系统的稳定性进行严格的数学分析与证明,并在MATLAB上进行仿真测试。测试结果表明,所提方法保证了系统所需的控制输入力矩不超过执行器可提供的最大输入力矩,而且在稳定时间、振荡幅值和鲁棒性等方面具有更好的性能。(2)针对小球角速度不可测的问题,提出一种基于新颖储能函数的欠驱动TORA系统输出反馈控制方法,解决角速度不可测的问题。首先,构造一种增加了辅助信号的新颖储能函数;然后,利用Lyapunov稳定性理论直接推导出以饱和函数实现的限幅控制律和动态产生虚拟角速度信号的辅助信号,实现系统的输出反馈控制;最后,根据Lyapunov稳定性理论和LaSalle不变集原理对系统的稳定性进行严格的数学分析与证明,并通过仿真测试进行验证。仿真测试表明,所提控制方法不需要角速度信息的反馈就可以实现系统的镇定控制,且输入力矩始终不超过设定的最大输入力矩。另外,所提控制方法具有稳定时间短,超调量低,鲁棒性强等优点。(3)针对外界干扰影响的欠驱动TORA系统,提出一种基于LESO的连续状态反馈控制方法。首先,通过坐标变换将整个系统变换为两个子系统组成的级联模型;然后,利用Backstepping控制的思想,对第一个内环子系统设计一种虚拟控制输入实现内环子系统的镇定控制,对第二个子系统构造LESO用于观测外界不确定干扰,并在此基础上设计一种连续状态反馈控制器;最后,采用Lyapunov稳定性理论和LaSalle不变集原理对TORA系统的闭环稳定性和LESO的收敛性进行严格的分析与证明。仿真测试表明所提方法可以对外界未知干扰进行有效的估计和补偿,不仅降低控制系统对系统模型的依赖性,使得控制器具有更好的鲁棒性,而且设计过程清晰,控制过程连续,使系统具有更平滑的控制性能。