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快速刀具伺服系统位置域重复控制设计及其数字实现

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自动化学报 2024年第7期50卷 1432-1444页

作者：周兰杨秦潘昌忠肖文彬李美柳湖南科技大学信息与电气工程学院湘潭411201

在非圆零件车削过程中,快速刀具伺服(Fast tool servo,FTS)的运动精度直接影响零件的加工质量.主轴变速加工使得FTS的参考目标信号周期时变而不确定,这对实现其渐近跟踪提出了极大的挑战.本文利用FTS的位置域周期特性,提出一种基于位置... 详细信息

在非圆零件车削过程中,快速刀具伺服(Fast tool servo,FTS)的运动精度直接影响零件的加工质量.主轴变速加工使得FTS的参考目标信号周期时变而不确定,这对实现其渐近跟踪提出了极大的挑战.本文利用FTS的位置域周期特性,提出一种基于位置域重复控制和时域速度反馈镇定的FTS系统复合控制设计方法,并给出位置域改进型重复控制器(Spatial modified repetitive controller,SMRC)的数字实现算法,实现对时变周期参考目标信号的高精度跟踪.首先,建立包含位置相关时变周期参考目标信号内模的SMRC,并引入位置域相位超前装置对镇定补偿器引起的相位滞后进行补偿,在此基础上构建复合控制律.然后应用小增益定理和算子理论,推导出控制系统的稳定性条件,在保持系统采样频率不变的条件下,应用插值法建立SMRC的数字实现算法,确保位置域重复控制和时域镇定控制器的同步执行.最后,通过仿真验证所设计的FTS控制系统具有满意的时变周期跟踪性能和鲁棒性,并通过与其他位置域重复控制方法的比较,说明所提方法同时具有更好的暂态和稳态性能.

关键词：快速刀具伺服时变周期信号重复控制位置域数字实现

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基于多元成本结构的分时电价定价机制

湖南科技大学学报（自然科学版） 2024年第1期39卷 60-69页

作者：王岱刘颖潘昌忠李春来李福东国网宁夏电力有限公司银川供电公司宁夏银川750011 湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201 湖南理工学院物理与电子学院湖南岳阳414006 北京信息科技大学机电工程学院北京100192

建设新型电力系统对完善分时电价机制提出了新的要求.针对目前分时电价研究多侧重于市场机制,对电价设置菜单与实际供电成本结构关系有待深化机理建模的问题,提出一种基于多元化供电成本和需求响应的分时电价模型.该模型兼顾经济性与可... 详细信息

建设新型电力系统对完善分时电价机制提出了新的要求.针对目前分时电价研究多侧重于市场机制,对电价设置菜单与实际供电成本结构关系有待深化机理建模的问题,提出一种基于多元化供电成本和需求响应的分时电价模型.该模型兼顾经济性与可靠性,建立考虑需求削减的负荷切片与成本定价机制,明确供电配置的多元化成本结构,建立各类电源的可变成本、固定成本与可靠性损失成本的成本结构.对电力销售收入分析、电源的实际可变成本、电源可靠性损失和固定成本回收进行了基础性研究.通过相关算例验证,研究各类电源事故率对模型中附加费率的影响,以及各类电源事故率、不同负荷水平波动与分时电价定价的关联性,验证了文章建立的分时电价模型在提高分时电价适应性,正确引导用户用电行为,提高削峰填谷方面的有效性.同时,该模型有助于优化各类电源的容量管理,确保峰值电源的成本回收,从而有效地平衡电源侧和用户侧利益,兼顾供电充分性、可靠性和经济性目标.

关键词：需求响应分时电价机制固定成本可变成本可靠性成本削峰填谷

基于等价输入干扰补偿的改进型重复控制系统参数优化设计

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控制理论与应用 2022年第4期39卷 653-662页

作者：廖常超周兰潘昌忠陈静湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学数学与计算科学学院湖南湘潭411201

针对一类同时具有周期性参考输入和非周期扰动的伺服系统,提出基于等价输入干扰补偿的改进型重复控制系统参数优化设计方法,实现对非周期扰动的有效抑制和周期性参考输入的高精度跟踪控制.首先,利用全维状态观测器的估计误差构造等价输... 详细信息

针对一类同时具有周期性参考输入和非周期扰动的伺服系统,提出基于等价输入干扰补偿的改进型重复控制系统参数优化设计方法,实现对非周期扰动的有效抑制和周期性参考输入的高精度跟踪控制.首先,利用全维状态观测器的估计误差构造等价输入干扰估计器,通过将等价输入干扰估计值反馈到控制输入端,建立基于等价输入干扰补偿的复合重复控制规律.然后,基于小增益定理推导出系统的稳定性条件,引入一个对系统抗扰性能、跟踪性能和收敛速度进行整体评价的性能目标函数,建立系统参数优化模型,采用粒子群优化算法,实现对系统重复控制器参数、等价输入干扰估计器参数和状态反馈控制器参数的同时优化.最后,通过数值仿真分析对比说明所提方法的有效性和优越性.

关键词：重复控制等价输入干扰扰动估计和补偿粒子群优化算法参数优化

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基于降阶扩张状态观测器的重复控制系统设计

控制与决策 2022年第4期37卷 933-943页

作者：周兰姜福喜潘昌忠陈静湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学数学与计算科学学院湖南湘潭411201

针对一类含有非匹配状态相关不确定性和外界干扰的伺服系统,提出一种基于降阶扩张状态观测器的重复控制方法,通过对不确定性和扰动进行实时估计和主动补偿,实现对周期性参考输入信号的高精度跟踪.首先,利用系统可测输出和控制输入信号... 详细信息

针对一类含有非匹配状态相关不确定性和外界干扰的伺服系统,提出一种基于降阶扩张状态观测器的重复控制方法,通过对不确定性和扰动进行实时估计和主动补偿,实现对周期性参考输入信号的高精度跟踪.首先,利用系统可测输出和控制输入信号设计降阶扩张状态观测器,对系统的不可测状态以及包含不确定性和外界干扰的总扰动进行估计;其次,通过选择合适的扰动补偿增益,构造基于扰动动态补偿的复合重复控制规律,消除总扰动对系统输出的影响,保证系统输出对周期性参考信号的准确跟踪;然后,基于小增益定理推导出系统稳定性条件和控制器参数设计算法;最后,通过数值仿真实例和实验验证所提方法的有效性和优越性.

关键词：不确定性降阶扩张状态观测器重复控制扰动补偿跟踪控制

平面欠驱动柔性机械臂的PSO轨迹优化与自抗扰振动抑制

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振动与冲击 2022年第14期41卷 181-189页

作者：潘昌忠罗晶李智靖熊培银陈君湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201

针对平面单连杆柔性机械臂(planar single-link flexible manipulator,PSLFM)的振动抑制及稳定控制问题,提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的轨迹优化与自抗扰控制方法,实现机器人末端执行器从任意初始位置... 详细信息

针对平面单连杆柔性机械臂(planar single-link flexible manipulator,PSLFM)的振动抑制及稳定控制问题,提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的轨迹优化与自抗扰控制方法,实现机器人末端执行器从任意初始位置移动到目标位置,并且抑制住由柔性连杆引起的弹性振动。首先,基于假设模态法建立柔性机械臂的动力学模型,并对该模型的欠驱动特性进行分析,得到驱动变量与欠驱动变量之间的状态约束关系。其次,基于该约束关系,运用双向轨迹规划方法为驱动变量分别规划一条前向轨迹和一条反向轨迹。然后,采用粒子群算法对轨迹参数进行优化,确保两条轨迹平滑地拼合成一条完整轨迹。最后,设计自抗扰跟踪控制器使机械臂存在外部扰动和角速度不可测情况下精确地跟踪优化的轨迹,实现机械臂的振动抑制与稳定控制。仿真与对比结果表明,所提控制方法具有更好的振动抑制效果及鲁棒性。

关键词：柔性机械臂轨迹规划振动抑制自抗扰欠驱动系统

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

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控制与决策 2022年第5期37卷 1153-1159页

作者：潘昌忠崔臣臣周兰熊培银陈君湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201

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... 详细信息

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.

关键词： TORA 饱和约束生物启发模型欠驱动系统有界输入镇定控制

柔性关节机械臂的自适应命令滤波输出反馈控制

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西安交通大学学报 2022年第5期56卷 199-208页

作者：潘昌忠费湘尹周兰熊培银李智靖湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411100

针对柔性关节机械臂轨迹跟踪控制中存在模型摄动、外界干扰以及部分状态信息不可测等问题,提出一种基于自适应神经网络观测器的命令滤波输出反馈控制方法。首先,给出含不确定性的柔性关节机械臂动力学方程,并选用RBF神经网络设计自适应... 详细信息

针对柔性关节机械臂轨迹跟踪控制中存在模型摄动、外界干扰以及部分状态信息不可测等问题,提出一种基于自适应神经网络观测器的命令滤波输出反馈控制方法。首先,给出含不确定性的柔性关节机械臂动力学方程,并选用RBF神经网络设计自适应律,在线逼近由模型摄动及未知干扰带来的不确定性项;然后,设计自适应神经观测器以对系统不可测状态进行实时估计,并将估计值用于反馈控制,解决部分状态信息不可测的问题;最后,基于Lyapunov理论设计反步跟踪控制器,并引入二阶命令滤波器获得中间虚拟控制量的导数,避免反步递推过程中“计算爆炸”的问题。仿真结果表明,当系统存在模型摄动和外界干扰时,所提自适应命令滤波反步控制方法与传统反步控制方法和误差补偿命令滤波控制方法相比,无需连杆的角速度以及电机轴的转角和角速度等状态信息,且轨迹跟踪精度分别提升78%和35%。

关键词：柔性关节机械臂 RBF神经网络自适应观测器命令滤波反步法

一类新的PPA型三连杆欠驱动机器人的控制策略

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控制与决策 2011年第7期26卷 1004-1008,1013页

作者：赖旭芝潘昌忠吴敏中南大学信息科学与工程学院长沙410083

PPA型机器人是一类新型的三连杆欠驱动机械系统,具有3个自由度,但只有1个驱动装置.针对这类欠驱动机器人的运动控制,提出一种分区的控制策略,使之从垂直向下的位置摇起到垂直向上的位置,并实现稳定控制.首先,将系统的运动空间划分为摇... 详细信息

PPA型机器人是一类新型的三连杆欠驱动机械系统,具有3个自由度,但只有1个驱动装置.针对这类欠驱动机器人的运动控制,提出一种分区的控制策略,使之从垂直向下的位置摇起到垂直向上的位置,并实现稳定控制.首先,将系统的运动空间划分为摇起区和吸引区;其次,应用一种基于Lyapunov函数的控制方法来增加系统能量和控制驱动杆姿态,实现摇起操作;再次,采用最优控制方法设计平衡控制,实现稳定的平衡控制;最后,通过仿真实验验证了所提出控制方法的有效性.

关键词：欠驱动机械系统 PPA型机器人稳定控制 Lyapunov函数

基于免疫优化的平面Acrobot线性自抗扰鲁棒镇定

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控制与决策 2020年第12期35卷 3053-3058页

作者：潘昌忠罗晶周兰熊培银湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201

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... 详细信息

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.

关键词：平面Acrobot 线性自抗扰控制鲁棒控制免疫优化欠驱动系统不确定性