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受饱和约束的车辆转向非线性鲁棒模糊分布控制

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振动与冲击 2022年第4期41卷 77-85,149页

作者：孙船斌方琳童宝宏安徽工业大学机械工程学院安徽马鞍山243032 安徽工业大学低碳与智能车辆研究所安徽马鞍山243032 安徽工业大学特种重载机器人安徽省重点实验室安徽马鞍山243032

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... 详细信息

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。

关键词：车辆系统横摆稳定横向载荷转移非线性鲁棒控制饱和约束

饱和约束测量扩张状态滤波与无拖曳卫星位姿自抗扰控制

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自动化学报 2020年第11期46卷 2337-2349页

作者：杨飞谈树萍薛文超郭金赵延龙北京科技大学自动化学院北京100083 北京控制工程研究所北京100094 中国科学院数学与系统科学研究院系统控制重点实验室北京100190 工业过程知识自动化教育部重点实验室北京100083

无拖曳卫星的本体姿态、卫星本体与测试质量间的相对位移及相对姿态的联合控制受到外部扰动、输入噪声、测量噪声及饱和约束、输入耦合以及状态耦合等因素的影响,控制器的设计面临挑战.本文采用基于扩张状态的卡尔曼滤波对系统状态和系... 详细信息

无拖曳卫星的本体姿态、卫星本体与测试质量间的相对位移及相对姿态的联合控制受到外部扰动、输入噪声、测量噪声及饱和约束、输入耦合以及状态耦合等因素的影响,控制器的设计面临挑战.本文采用基于扩张状态的卡尔曼滤波对系统状态和系统扰动进行实时估计,引入自抗扰控制策略进行了控制器设计.针对无拖曳控制子系统设计了测量饱和受限下的扩张状态估计算法,并进行了信息融合.在设计控制律时不仅考虑了对外部扰动的补偿,还将系统状态间的耦合关系看成内部扰动进行补偿,使得被控系统等价为“积分串联型系统”,在此基础上实现了无拖曳卫星的联合控制.数值仿真验证了方法的有效性和合理性.

关键词：无拖曳卫星自抗扰控制饱和约束扩张状态滤波信息融合

受饱和约束的合作竞争多智能体系统分布式控制问题研究

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受饱和约束的合作竞争多智能体系统分布式控制问题研究

作者：陈佰成齐鲁工业大学

学位级别：硕士

多智能体系统的分布式控制因其在化学、计算机、生物学等领域中广泛的应用而得到了诸多关注。但之前大量的研究往往假设智能体之间仅存在合作关系,而实际上多智能体系统不仅存在合作关系,还有可能存在竞争关系。由于合作关系和竞争关系... 详细信息

多智能体系统的分布式控制因其在化学、计算机、生物学等领域中广泛的应用而得到了诸多关注。但之前大量的研究往往假设智能体之间仅存在合作关系,而实际上多智能体系统不仅存在合作关系,还有可能存在竞争关系。由于合作关系和竞争关系的同时存在,这类合作竞争多智能体系统呈现出更丰富的动态行为。另一方面,理论总是要应用于实践,而实际的物理系统往往会受到各种现实因素的限制,诸如饱和约束、通讯时延、扰动等。因此,研究受现实因素的限制的多智能体系统更符合实际的情况,也更加有意义。本文则是主要研究受饱和约束的合作竞争多智能体系统分布式控制问题,其主要工作分为以下几个方面:(1)研究了受饱和约束的单积分器智能体二部一致性问题。基于结构平衡的符号无向图下,分别对受饱和约束的连续多智能体系统和离散多智能体系统设计了在领导-跟随框架下的控制协议。通过利用拉普拉斯矩阵零特征值所对应的右特征向量,引入一个模型变化,将二部一致性问题转化为稳定性问题。通过收敛性分析得到,在挑选合适的控制增益下,多智能体系统能够达成二部一致性。另外,对于离散的多智能体系统来说,其控制协议上的增益还与采样周期有关。(2)研究了受饱和约束的一般线性智能体二部一致性问题。基于细致平衡、结构平衡和强连通下的符号有向图,对于一般线性智能体系统设计了有领导者和无领导者下的控制协议。在收敛性分析过程中,将二部一致性问题转换为稳定性问题进行分析,并结合细致平衡和结构平衡符号图,构造了李雅普诺夫函数。通过李雅普诺夫稳定性定理证明转化后系统的稳定性,从而说明了多智能体系统的二部一致是可达的。(3)研究了受饱和约束的一般线性智能体平均二部一致性问题。针对多智能体系统所构成的拓扑结构权重不平衡的问题,通过拉普拉斯矩阵的零特征值所对应的左特征向量,构造出权重平衡的镜像符号图,并根据镜像符号图的性质设计了控制协议。而对于多智能体系统所受到的饱和约束问题,通过挑选合适的增益,使得多智能体系统随时间变化时不受饱和约束。从收敛性分析中得出,当符号图满足结构平衡时,多智能体系统能够达成二部一致性,当符号图满足结构不平衡时,多智能体系统能够达成状态稳定。

关键词：二部一致性饱和约束多智能体系统结构平衡

基于饱和约束LMS算法的磁悬浮隔振器控制研究

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振动与冲击 2012年第13期31卷 125-128页

作者：陈昊王永李嘉全鲁洋中国科学技术大学自动化系合肥230027 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航测部长春130033

研究磁悬浮隔振器的抗饱和减振控制,针对限幅抗饱和法容易激起磁悬浮隔振器共振和Boaz Rafaely抗饱和算法的阈值很难确定,如果阈值选择过大容易激起磁悬浮隔振器共振,如果选择过小则损失减振效果这些问题,提出一种饱和约束处理方法,即... 详细信息

研究磁悬浮隔振器的抗饱和减振控制,针对限幅抗饱和法容易激起磁悬浮隔振器共振和Boaz Rafaely抗饱和算法的阈值很难确定,如果阈值选择过大容易激起磁悬浮隔振器共振,如果选择过小则损失减振效果这些问题,提出一种饱和约束处理方法,即加入连续惩罚函数方法。推导相应的改进LMS算法并设计出抗饱和自适应前馈控制律。通过仿真和在磁悬浮隔振器系统上进行实验对比,验证这种方法相对于限幅抗饱和算法和Boaz Rafaely抗饱和算法具有一定的优越性。

关键词： LMS算法饱和约束连续惩罚函数

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饱和约束下多电机总量协同控制研究

饱和约束下多电机总量协同控制研究

作者：张乾湖南工业大学

学位级别：硕士

随着“一带一路”建设和国家经济发展的深入推进,我国调整了运输结构,增加了铁路运输量。重载列车作为我国铁路货运行业的重要组成部分,提高运输能力,保证列车在复杂多变环境下的整体牵引性能及安全平稳的运行,就需要研究多牵引电机总... 详细信息

随着“一带一路”建设和国家经济发展的深入推进,我国调整了运输结构,增加了铁路运输量。重载列车作为我国铁路货运行业的重要组成部分,提高运输能力,保证列车在复杂多变环境下的整体牵引性能及安全平稳的运行,就需要研究多牵引电机总量协同控制的关键技术,即在机车多轴协调控制中,通过对多电机冗余动力的协调,保证各电机提供的牵引力总和不变。而现有的多电机总量协同控制中,未有考虑饱和约束问题(控制输入饱和、输出转矩约束等)的研究。为此,本文开展饱和约束下多电机总量协同控制技术及其实际应用的研究,具体研究内容如下:1、针对多电机总量协同控制中的输入饱和问题,从降低控制输入和补偿输入饱和两个角度,设计了一种总量协同跟踪抗饱和滑模控制算法。首先,建立了带有参数摄动和未知扰动的多永磁电机牵引模型;然后,从降低控制输入的角度,设计了滑模干扰观测器,以减小滑模切换增益;从补偿输入饱和的角度,采用辅助抗饱和系统,削弱饱和对跟踪性能的影响;随后,将观测值和辅助状态反馈给滑模控制器,设计出总量协同跟踪控制算法,以确保输出转矩之和与给定特性曲线的一致;最后,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了滑模干扰观测器和抗饱和控制器对多电机牵引系统中输入饱和问题的有效抑制作用。2、针对多电机总量协同有限时间控制中的输入饱和问题,结合加幂积分参数简化与抗饱和技术,设计了一种基于非奇异终端滑模的总量协同跟踪控制算法,并保证了系统的全局有限时间稳定。首先,基于d-q坐标系建立了带有参数摄动和未知扰动的多永磁同步电机(PMSM)i(28)0的矢量控制模型;然后,设计了一种有限时间辅助抗饱和系统,并将状态反馈给总量协同跟踪控制器;随后,放宽了加幂积分参数强约束的条件,给出了参数设置的依据并完成了有限时间Lyapunov稳定性证明;最后,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了加幂积分参数简化的有效性和有限时间抗饱和控制器对输入饱和的有效抑制。3、针对多电机总量协同控制中的输入、输出双约束问题,构建了分层式总量协同抗饱和的框架,设计了一种基于多电机总量最优协同的饱和超螺旋滑模控制策略。首先,基于x-y坐标系建立了多PMSM直接转矩控制的数学模型;然后,考虑输出转矩的总量一致和约束,以能耗最小为目标,基于KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件设计最优的多轴总量协同分配给定算法;随后,依据最优的分配给定,设计新型饱和超螺旋滑模跟踪控制算法,并结合障碍李雅普洛夫函数证明控制输入有界;最后,在完成稳定性分析的基础上,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了分层式总量最优协同抗饱和策略能有效解决双约束问题。

关键词：饱和约束总量协同控制滑模干扰观测器辅助抗饱和系统有限时间控制 KKT条件障碍李雅普洛夫函数

饱和约束下输入时滞Hamilton系统的鲁棒镇定

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饱和约束下输入时滞Hamilton系统的鲁棒镇定

作者：聂丛丛曲阜师范大学

学位级别：硕士

在实际应用中,如通信系统,电力网络和工程系统中经常出现饱和、状态或者输入时滞以及各种不确定的现象.这些因素的存在往往会导致系统稳定性的急剧恶化.近几十年来,控制界产生了大量有关饱和约束下时滞系统的稳定和控制研究成果.然而,... 详细信息

在实际应用中,如通信系统,电力网络和工程系统中经常出现饱和、状态或者输入时滞以及各种不确定的现象.这些因素的存在往往会导致系统稳定性的急剧恶化.近几十年来,控制界产生了大量有关饱和约束下时滞系统的稳定和控制研究成果.然而,大部分成果是有关线性系统的,在非线性系统领域的研究结果相对较少.作为一类特殊而重要的非线性系统,PCH(Port-Controlled Hamiltonian)系统具有丰富的实际应用背景,比如电力系统、通讯系统、机械系统等实际系统都可以抽象成PCH系统的形式.其中的Hamilton函数可以看成具体系统的总能量,而且在一定条件下可以作为系统的Lyapunov函数.因此,在Hamilton系统框架下,解决具有饱和与时滞的非线性系统的控制问题具有重要意义.本文主要针对PCH系统在受饱和约束的情况下,研究该系统输入为常数时滞和时变时滞两种情况下的鲁棒控制设计问题.众所周知,研究系统鲁棒控制迫在眉睫的问题是,如何设计控制器使闭环系统在输入饱和、时滞和不确定存在的情况下保持稳定.本文主要利用L-K(Lyapunov Krasovskii)泛函方法和Wirtinger不等式方法得出保守性相对较小的结果.本文的主要内容如下:(i)具有饱和的时滞无关和时滞相关的Hamilton系统的镇定.首先,针对饱和的输入常时滞的Hamilton系统,借助Wirtinger不等式,得到了使系统稳定的充分条件.然后,考虑变时滞的情况,由于变时滞问题的复杂性,我们引入另一种形式的Wirtinger不等式,得出了使系统稳定的充分条件.最后,将得到的结果应用于电力系统中,验证所得结论的正确性.(ii)具有不确定的饱和输入时滞Hamilton系统的鲁棒镇定.在这一部分,我们考虑系统的不确定为非参数不确定,而且该不确定因素是属于一个凸有界多面体域.然后,参照Convex Combination的方法简化系统中的饱和项再使用传统的控制器,最终利用Wirtinger不等式得出了非参数不确定的饱和输入时滞Hamilton系统的鲁棒镇定结论.最后,结论的可行性通过一个数值例子得以验证.

关键词：饱和约束输入时滞Hamilton系统 Wirtinger不等式非参数不确定鲁棒镇定

饱和约束的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究

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饱和约束的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究

作者：廖玉彬中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

本课题的主要研究了在饱和约束条件下的轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot,WMR)轨迹跟踪控制策略。本文研究对象为具有两个标准轮的驱动轮和一个万向轮的(2,0)型轮式移动机器人。在该机器人的运动学模型为基础,基于参考系统的线性化... 详细信息

本课题的主要研究了在饱和约束条件下的轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot,WMR)轨迹跟踪控制策略。本文研究对象为具有两个标准轮的驱动轮和一个万向轮的(2,0)型轮式移动机器人。在该机器人的运动学模型为基础,基于参考系统的线性化技术转换为线性时变系统。基于线性时变连续系统,应用线性二次型控制理论,将饱和约束显式地考虑在优化问题内,设计基于线性时变的二次型控制算法的轨迹跟踪控制器(Piecewise Linear Quadratic Regulator,PLQR);对线性时变连续系统离散化获得线性时变离散系统,在此基础上设计了一种基于遗传算法在线调整增益的自适应二次型控制器(Adaptive Linear Quadratic Regulator,ALQR)。首先基于参考系统的近似线性化方法将(2,0)型轮式移动机器人的非线性系统转换为线性时变连续系统,并证明了线性时变连续系统的能观性和能控性。在此基础上推导了线性时变二次型控制(LTV-QR)算法,将LTV-QR最优问题转化为便于计算机求解的标准二次规划问题。然后在此基础上分别设计了不考虑约束的线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)和考虑饱和约束条件的线性二次型控制器(PLQR),并基于Lyapunov方法证明了其稳定性。然后对线性时变连续系统离散化获得线性时变离散系统,构造以线性时变离散系统作为拉格朗日乘子及以饱和约束条件作为惩罚因子的惩罚函数,并通过内点法求解以惩罚函数作为目标函数的线性二次型控制器(ALQR)。针对上述实现过程中加权矩阵在不同条件下跟踪控制性能差异较大问题,通过以控制性能指标作为约束函数的遗传算法在不同初始位姿及不同参考轨迹的加权矩阵实现自适应选择,以获取条件下的最优控制加权矩阵。针对观测位姿存在高斯白噪声,本文采用卡尔曼滤波算法对机器人的实际位姿进行实时估算,并作为LQ的实际位姿,通过动态状态反馈闭环系统,生成实时控制率进行参考轨迹跟踪控制。在MALLAB软件平台下对(2,0)型轮式移动机器人轨迹跟踪器进行数值仿真,其结果表明,基于PLQR或ALQR的轮式移动机器人对不同初始位姿及不同的参考轨迹都有较好的跟踪效果,且能够避免控制律跳变现象,满足约束条件。同时搭建了轮式移动机器人实物平台,并对扫地机器人基础的功能进行试验。实验结果表明,所设计的控制器在上述应用中取得较好的实际效果。

关键词：移动机器人轨迹跟踪线性二次型控制器饱和约束稳定性

具有执行机构饱和约束的过热汽温系统预测控制研究

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具有执行机构饱和约束的过热汽温系统预测控制研究

作者：李晓伟华北电力大学

学位级别：硕士

过热蒸汽温度的控制效果对火电机组运行的安全性、稳定性和经济性有着重要影响。其被控对象具有的大迟延、大惯性、多扰动以及时变等特点令传统控制方法难以取得令人满意的控制效果。此外,忽略减温水阀门(执行机构)存在的饱和约束而设... 详细信息

过热蒸汽温度的控制效果对火电机组运行的安全性、稳定性和经济性有着重要影响。其被控对象具有的大迟延、大惯性、多扰动以及时变等特点令传统控制方法难以取得令人满意的控制效果。此外,忽略减温水阀门(执行机构)存在的饱和约束而设计的控制系统在实际应用时通常无法达到预期效果,严重时甚至会出现系统崩溃的现象。为此,论文提出了一种新的串级DMC-DMC过热蒸汽温度控制方案。该方案的设计过程分为两步:串级DMC-PID控制系统设计和串级DMC-DMC控制系统设计:第一步:针对过热蒸汽温度被控对象的大迟延、大惯性、多扰动以及时变等特点,采用传统过热蒸汽温度控制系统的串级结构,充分利用其内回路能快速消除扰动、提高系统工作频率的优点,在保留内回路PID控制器的前提下,进行了外回路DMC控制器设计。仿真研究表明串级DMC-PID控制相较于串级PID-PID控制具有更好的给定值跟随能力、抗干扰能力和鲁棒性。但是串级DMC-PID方案无法处理执行机构饱和约束问题。第二步:为了处理执行机构的饱和约束,针对动态规划、二次规划、非线性规划等约束处理方法存在着计算量大、不适用于实时控制的问题,提出了一种通过转变目标函数,将约束问题转变为线性规划问题。然后在保持串级DMC-PID控制系统外回路控制器不变的前提下,将线性约束处理方式和DMC控制方法结合,设计出了内回路DMC控制器,取代串级DMC-PID控制系统的内回路PID控制器。将该控制方案应用于具有执行机构饱和约束的过热汽温系统中进行仿真研究。仿真结果验证了该方案的有效性。

关键词：过热蒸汽温度饱和约束动态矩阵控制 PID控制

考虑饱和约束的电子节气门预设性能控制及实验研究

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考虑饱和约束的电子节气门预设性能控制及实验研究

作者：孙自涛燕山大学

学位级别：硕士

作为汽车发动机控制系统的核心部分,电子节气门控制系统在汽车的排放性能和燃料经济性中起着重要作用。然而,实际的电子节气门系统,存在执行器饱和约束,摩擦、复位弹簧、齿轮间隙等强非线性,由于不完整的已知物理参数和器件老化等因素... 详细信息

作为汽车发动机控制系统的核心部分,电子节气门控制系统在汽车的排放性能和燃料经济性中起着重要作用。然而,实际的电子节气门系统,存在执行器饱和约束,摩擦、复位弹簧、齿轮间隙等强非线性,由于不完整的已知物理参数和器件老化等因素引起的系统参数不确定性,这些不仅大大增加了控制设计的难度,而且极大地影响了系统控制性能。因此能够较好克服不利因素的影响、满足较高动静态性能要求的先进控制器设计技术是汽车电子节气门控制系统关注的重点。为此,本论文采用预设性能控制技术研究电子节气门开度位置跟踪控制问题,通过预设性能中的性能函数参数的合理选取保障系统暂态和稳态性能要求。针对系统存在的非线性,采用非线性Backstepping递归方法与预设性能技术结合设计跟踪控制器。同时为了预设性能控制器的实用性,在控制器设计中增加辅助系统状态来处理执行器饱和约束。针对系统中存在的参数不确定性,采用基于粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)参数离线辨识技术设计预设性能伺服控制(Prescribed Performance Servo Control,PPSC)系统。基于PSO算法参数辨识所设计的控制器需要离线进行操作,使电子节气门控制系统缺乏实时调节能力,一旦运行条件使系统参数发生较大变化将会影响控制器的控制效果;因此采用自适应调节技术设计预设性能控制器,而具有自适应估计的参数在线调节可以对控制器参数进行实时调节,保障了系统在不同工况下的控制性能鲁棒性。所设计的两种伺服控制器的有效性和适用性,在基于dSPACE的半实物仿真实验平台上进行了实验分析与比较验证。

关键词：电子节气门饱和约束粒子群优化预设性能自适应控制半实物仿真