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基于事件触发机制的可重构机械臂最优抗饱和控制研究

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基于事件触发机制的可重构机械臂最优抗饱和控制研究

作者：宋子瑶长春工业大学

学位级别：硕士

随着机器人领域的研究日渐成熟,其发展空间愈加广阔,在各领域中,机器人可协助人类高效完成相应工作。随着科技和生产力的不断提升,人们对于机器人的要求也随之而来变得越来越高。传统的工业机械臂由于体积庞大、构形单一以及高昂的制造... 详细信息

随着机器人领域的研究日渐成熟,其发展空间愈加广阔,在各领域中,机器人可协助人类高效完成相应工作。随着科技和生产力的不断提升,人们对于机器人的要求也随之而来变得越来越高。传统的工业机械臂由于体积庞大、构形单一以及高昂的制造成本等原因,只能执行单一任务,无法在复杂多变的环境下出色完成任务。因此,可重构机械臂作为能够执行多种任务、具有良好的控制性能以及造价成本低等优势得到了广泛关注。可重构机械臂系统可根据不同的任务环境改变自身的构形以及模块数量的增减来完成任务。因其具有“可重构”的特性,在智能制造、抢险救援、空间探测等领域都得到了广泛的应用。随着科学研究的不断发展,可重构机械臂常被应用在人类无法直接参与的环境中,在硬件资源受限的前提下,除了保证其在安全稳定的情况下完成任务,如何减少系统的能量损耗、增强数据传输能力以及提升工作效率具有重要的研究意义。此外,考虑到可重构机械臂长时间高强度工作在复杂危险的环境中,其系统中的零件不可避免会发生故障,这将严重影响系统的控制性能,甚至发生不可预估的后果。因此,如何在资源和能源受限的复杂环境中提高可重构机械臂系统的稳定性、对故障进行补偿并保证系统平稳运行是一个值得关注的问题。故针对可重构机械臂系统的抗饱和控制以及容错控制的探究,全文的具体研究内容如下:(1)考虑输入约束的可重构机械臂子系统动力学模型的建立考虑系统自身的结构属性,将可重构机械臂系统拆分为多个子系统分别建立动力学模型。采用关节力矩反馈技术并利用系统局部已知的模型信息,对可重构机械臂子系统建立具有输入约束的动力学模型。此外,针对多故障并发的可重构机械臂系统,在考虑模型不确定性的基础上进一步分析,为后续控制方法的深入研究打下了坚实的基础。(2)输入约束下可重构机械臂系统最优抗饱和跟踪控制考虑到可重构机械臂系统在实际应用中会出现执行器输入饱和这一现象,提出了一种基于事件触发机制的最优抗饱和控制方法。首先,采用双曲正切函数对系统的输入进行有效的限制,解决了由于输入过大而导致系统损坏这一问题,提高了系统运行的安全性。其次,通过对模型的估计和系统的状态以及控制律共同构建合适的值函数,并设计合理的触发条件。在自适应动态规划算法的思想上,通过建立的单评判神经网络对事件触发下的哈密顿-雅克比-贝尔曼方程近似求解,保证了可重构机械臂系统的稳定性,并通过实验验证了所提出控制算法的有效性。(3)多故障并发的可重构机械臂系统事件触发式分散自学习最优容错控制针对同时发生执行器故障和传感器故障的可重构机械臂系统,提出了一种非周期更新下的分散主动容错最优抗饱和控制方法,解决了可重构机械臂发生多故障时的容错控制问题,并满足系统的轨迹跟踪保持最优状态。首先,采用分散控制理论对子系统单独进行动力学建模。其次,在多故障并发时,采用微分同胚原理设计一阶滤波器,将传感器故障转换为执行器故障,通过构建的自适应观测器对突发故障进行实时观测和估计。随后,在考虑系统受输入约束的条件下,采用故障的观测值与系统状态、控制律搭建改进型的性能指标函数,将系统的主动容错控制问题转换为最优控制问题进行具体分析。最后,采用近似动态规划算法与非周期采样策略相结合,利用评判神经网络在线逼近哈密顿-雅可比-贝尔曼方程,解决了面向多故障并发的可重构机械臂系统分散主动容错最优控制问题。

关键词：可重构机械臂事件触发机制抗饱和控制最优控制容错控制

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基于事件触发机制的多高速列车一致性控制

基于事件触发机制的多高速列车一致性控制

作者：李钰大连交通大学

学位级别：硕士

随着社会经济不断发展,人民群众的客货运需求日益增长,推动着铁路的行车密度和列车的运营速度不断提高。高速列车在行驶过程中会受到多种因素的影响,传统人工驾驶列车的方式已无法满足当前安全行车的要求,列车自动驾驶技术为缓解人工驾... 详细信息

随着社会经济不断发展,人民群众的客货运需求日益增长,推动着铁路的行车密度和列车的运营速度不断提高。高速列车在行驶过程中会受到多种因素的影响,传统人工驾驶列车的方式已无法满足当前安全行车的要求,列车自动驾驶技术为缓解人工驾驶的压力提供了解决途径。在此技术的基础上,实现多高速列车的协同运行不仅能增加铁路的行车密度、提升铁路运载效率,还能大大优化列车之间的追踪间隔,保障列车安全可靠运行。然而,在实际应用中,由于网络带宽和通信容量有限,列车间难以进行充分的信息交换。因此,在事件触发机制下,针对多高速列车的一致性控制算法进行研究具有重要的现实意义。基于多智能体一致性技术,本文主要工作如下:(1)对高速列车相关领域的现实背景和研究现状进行系统的总结,阐述了多智能体发展现状。针对图论、事件触发机制、DoS攻击等相关理论开展深入研究,为多高速列车一致性控制的实现提供理论支撑。对高速列车的受力情况进行分析,讨论高速列车单质点模型和多质点模型的优缺点并给出两种模型下的动力学方程。(2)建立了多高速列车的动力学模型,对基于事件触发机制的多高速列车协同控制开展了相关的研究。针对领导列车带有未知输入的多高速列车系统,提出了基于观测器的事件触发策略,设计了一个分布式事件触发控制器,以实现列车的安全、稳定运行。利用Lyapunov理论证明了所设计的控制器的有效性,通过数值仿真验证了理论分析的正确性。(3)论文考虑了DoS攻击对多高速列车协同运行的影响。对DoS攻击多高速列车无线通信网络的过程进行说明,并采用信息确认机制检测列车通信网络是否受到DoS攻击。基于多高速列车的动力学模型,提出了列车通信网络在存在DoS攻击时的事件触发一致性控制策略,给出在系统正常和受到DoS攻击时两种状态下的分段控制器,以实现跟随列车对领导列车的有效跟踪,并通过仿真实验进行验证。

关键词：多高速列车事件触发机制 DoS攻击分段控制器

一种带波门修正的事件触发机制及其在光电探测网中的应用

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自动化学报 2020年第5期46卷 971-985页

作者：陈烨盛安冬李银伢戚国庆南京工程学院人工智能产业技术研究院南京211167 南京理工大学自动化学院南京210094

本文针对一类通信资源有限的集中式目标状态估计问题进行了研究,提出一种带波门修正的事件触发机制.当事件触发条件不满足时,相应探测器按通信系统设计带宽发送完整量测新息至融合中心.当事件触发条件满足时,相应探测器将量化量测新息... 详细信息

本文针对一类通信资源有限的集中式目标状态估计问题进行了研究,提出一种带波门修正的事件触发机制.当事件触发条件不满足时,相应探测器按通信系统设计带宽发送完整量测新息至融合中心.当事件触发条件满足时,相应探测器将量化量测新息发送给融合中心.减少数据传输量,减轻通信系统的负担.随后推导机制下的融合中心最小均方误差状态估计算法并对其性能进行了理论分析.最后给出一个光电探测网的应用算例,表明了其在工程应用中的有效性及可行性.

关键词：波门修正事件触发机制最小均方误差估计算法光电探测网

空间机械臂在轨插、拔孔操作力/位姿阻抗控制

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机械工程学报 2022年第3期58卷 84-94页

作者：曾晨东艾海平陈力江西理工大学能源与机械工程学院南昌330013 福州大学机械工程及自动化学院福州350116

利用空间机械臂进行在轨组装、维护、燃料加注等已成为必然趋势,而插、拔孔操作是实现上述任务的基础。讨论了空间机械臂在轨插、拔孔操作的阻抗控制问题。首先,建立了载体位置、姿态均不受控下,空间机械臂在轨插、拔孔操作过程系统动... 详细信息

利用空间机械臂进行在轨组装、维护、燃料加注等已成为必然趋势,而插、拔孔操作是实现上述任务的基础。讨论了空间机械臂在轨插、拔孔操作的阻抗控制问题。首先,建立了载体位置、姿态均不受控下,空间机械臂在轨插、拔孔操作过程系统动力学方程;由末端部件插头位姿及其输出主动力之间的动态关系以及阻抗控制原理,建立了阻抗控制模型。在此基础上,针对系统同时存在动力学不确定与外部扰动的情况,基于事件触发机制,设计了空间机械臂在轨插、拔孔操作事件触发滑模阻抗控制策略;并通过李雅普诺夫理论,证明了控制系统的稳定性。该控制策略的作用机理即:当系统保持稳定时,控制输入不更新;当系统趋于不稳定时,控制输入更新。由于不必时时更新控制律,系统内部传输及计算的数据量较少,更适于空间站计算机运算、存储能力有限的情况。系统数值仿真,验证了上述控制策略的有效性。

关键词：空间机械臂在轨插、拔孔事件触发机制滑模阻抗控制

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基于事件触发机制的网络化系统分析与综合

基于事件触发机制的网络化系统分析与综合

作者：关宝霞东北石油大学

学位级别：硕士

随着网络通信技术的日渐成熟,网络化系统的应用范围不断扩大,并已扩展到工业生产的各个领域。网络化系统是通过共享的数字网络传输信息或信号的一种分布式控制系统,代替传统点对点连接方式,实现了远程操作、资源共享,具有可靠性高,安装... 详细信息

随着网络通信技术的日渐成熟,网络化系统的应用范围不断扩大,并已扩展到工业生产的各个领域。网络化系统是通过共享的数字网络传输信息或信号的一种分布式控制系统,代替传统点对点连接方式,实现了远程操作、资源共享,具有可靠性高,安装维护方便和通信体系结构灵活等优点。然而,网络化系统同样面临着挑战,一是受网络带宽有限影响,数据在信道中传输时会产生如网络诱导时延、丢包和量化误差等问题,从而导致系统的控制性能变差甚至失稳;二是考虑到系统组件(传感器,执行器等)老化或出现程度各异的故障,影响系统性能;三是某些系统由于状态不可测量、系统的非线性、参数的时变性和不确定性等特点使建模更加复杂。而事件触发机制(Event-triggered Mechanism,ETM)可以通过按需传输数据而减少不必要的传输,在保证系统性能的同时,有效减少由于网络带宽的限制所带来的影响,正逐渐取代传统的时间触发机制。因此,综合以上几方面,将ETM引入网络化系统,并对其建模,分析和设计具有重要意义。本文针对H和L-L性能指标,逐步深入研究了基于ETM的网络化系统的分析与综合问题,研究内容主要有:首先,由于实际系统运行中元器组件可能发生故障,考虑传感器发生概率性故障和网络资源受限对系统性能的影响,研究了ETM下分布时滞系统H滤波问题。不同故障状态通过一组随机变量表示,并引入ETM,对系统重新建模。借助无穷小算子对选择的时滞相关的Lyapunov-Krasovskii泛函进行处理,根据Lyapunov稳定性理论,得到低保守性的鲁棒H滤波器的设计方法。其次,在实际工程中,通信资源是有限的,被控对象也会存在非线性。因此,采用非线性系统常用的T-S模糊模型,全面考虑分布时滞,时变时滞以及ETM引起的时滞信息,通过Lyapunov稳定性理论及积分不等式引理,得到鲁棒H滤波器存在的充分条件。进一步,通过全等变换,变量替换的方法解开系统与Lyapunov函数之间的耦合参数,将滤波器参数求解问题转化为凸优化问题。最终,在仿真环节,给出数值例子检验所提出理论方法的合理性和有效性。再次,利用ETM提高信息的传输效率,减少网络带宽的占用。通过引入范数有界不确定性描述系统模型的不确定性和参数摄动形式的控制器,提出了一类分布时滞系统在ETM下的L-L非脆弱控制问题。基于Lyapunov稳定性理论并结合相关引理进行辅助分析,考虑了时变时滞与ETM的结合,推导出ETM下闭环系统渐近稳定且满足L-L性能的条件,得到非脆弱鲁棒控制器参数和ETM相关参数的求解方法。通过仿真验证与常规控制器相比,非脆弱控制器有着更好的收敛效果。最后,针对具有传输时延、量化误差的非理想网络状况,借助扇形有界法将量化误差描述为不确定性,采用两个对数量化器减小量化误差的影响以提高控制精度,同时引入ETM,运用并行分布补偿(Parallel Distributed Compensation,PDC)算法并结合T-S建模思想得到执行器失效故障下的闭环系统全局模糊模型。在此基础上,分别针对输出信号为能量有界和峰值有界的情况,提出一种基于LMIs的使系统渐近稳定的H与L-L容错控制器的设计方法。

关键词：网络化系统事件触发机制 T-S模糊模型分布时滞容错线性矩阵不等式

基于模糊逻辑的空调系统广义预测控制参数整定

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哈尔滨工程大学学报 2024年第5期45卷 964-973页

作者：贺宁李尚许恭博郝文斌西安建筑科技大学机电工程学院陕西西安710055 西安交通大学智能网络与网络安全教育部重点实验室陕西西安710049 Monash University Faculty of EngineeringVictoria 3800Australia

针对多输入多输出(multiple-input-multiple-output,MIMO)变风量空调系统(variable air volume,VAV),本文提出了一种基于模糊逻辑和事件触发的广义预测控制(generalized predictive control,GPC)参数整定方法。针对多变量VAV空调系统,基于输出斜率等新型模糊目标参数及高斯双边形隶属度函数建立模糊预测模型,提高了隶属函数拟合度以更贴切地反映系统当前时刻状态。利用麻雀智能算法(sparrow search algorithm,SSA)构建隶属度函数,对GPC控制器中的柔化因子和加权系数进行在线分段整定,有效提升了系统性能。此外,在参数整定过程中,引入事件触发机制(event-triggered mechanism,ETM),在保证控制性能的同时,避免了不必要的控制器采样与更新,降低了系统在线计算量并减少了能源消耗。最后通过VAV空调系统仿真实验验证,证明了本文提出方法的可行性和有效性。

关键词：广义预测控制参数整定模糊逻辑柔化因子加权系数事件触发机制

未知周期DoS攻击下奇异摄动信息物理系统H_(∞)滤波设计

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控制与决策 2023年第1期38卷 123-132页

作者：周林娜刘虹羽马磊王国庆杨春雨中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116

针对奇异摄动信息物理系统在未知周期拒绝服务攻击(denial-of-service,DoS)下的状态估计问题,提出事件触发多时间尺度切换滤波器设计方法.首先,在传感器与滤波器之间引入事件触发机制确定采样数据是否传输至网络中,可以达到节约网络资... 详细信息

针对奇异摄动信息物理系统在未知周期拒绝服务攻击(denial-of-service,DoS)下的状态估计问题,提出事件触发多时间尺度切换滤波器设计方法.首先,在传感器与滤波器之间引入事件触发机制确定采样数据是否传输至网络中,可以达到节约网络资源的目的;然后,在此事件触发机制的基础上,考虑未知周期Dos攻击问题,建立滤波误差切换系统,通过构建依赖奇异摄动参数的Lyapunov函数,提出奇异摄动信息物理系统切换滤波器设计方法,得到较小的估计误差,从而克服设计过程中的病态数值问题,降低网络通信中DoS攻击对系统的不良影响,保证误差系统指数稳定且满足H_(∞)性能,实现未知周期DoS攻击下系统的状态估计;最后,利用电路仿真算例验证所提出的滤波器设计方法的有效性.

关键词：奇异摄动信息物理系统拒绝服务攻击事件触发机制状态估计 H_(∞)滤波网络通信

合作竞争网络下带有事件触发机制的两分一致性跟踪问题

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合作竞争网络下带有事件触发机制的两分一致性跟踪问题

作者：王佳杭州电子科技大学

学位级别：硕士

作为分布式控制的核心问题,多智能体系统的群集行为分析受到了广泛的关注。本文针对结构平衡的合作竞争网络,在具有Leader-following的框架下,利用合适的静态和动态的分布式事件触发控制器,探究两分一致性跟踪问题,通过设计基于个体与... 详细信息

作为分布式控制的核心问题,多智能体系统的群集行为分析受到了广泛的关注。本文针对结构平衡的合作竞争网络,在具有Leader-following的框架下,利用合适的静态和动态的分布式事件触发控制器,探究两分一致性跟踪问题,通过设计基于个体与邻居和领导者的信息交互并且带有事件触发器的分布式控制协议,得到实现两分一致性跟踪的充分条件,具体工作如下:第一章概述目前多智能体系统的研究背景与现状,主要介绍合作竞争网络下群集行为问题研究的基本结果,以及事件触发机制的相关概念,如,Zeno现象。并阐述本文工作的主要内容。第二章给出相关问题分析的数学工具,具体包括图论中网络拓扑结构和拉普拉斯矩阵的定义以及Lyapunov稳定性理论等相关预备知识。第三章针对一类结构平衡的合作竞争网络,利用事件触发策略,设计分布式协议解决一阶线性异质多智能体系统的两分一致性跟踪问题。进一步,注意到本章提出的事件触发机制是静态的,且反馈控制率是基于其自身的最新观测值及其邻居信息设计的。通过分析最小时间间隔存在正下界,得出在所设计的静态触发机制下,智能体不会产生Zeno现象。其次,利用Lyapunov稳定性判据,证明系统能够渐近实现两分一致性跟踪。最后,利用具体的数值实例证明理论研究的有效的。第四章对第三章的SETM进一步延深。为了提高资源的利用率,针对结构平衡的合作竞争网络,本章提出动态事件触发机制,即:设计的事件触发机制不仅包括系统的状态和时间信息,而且包括具有自身动态特性的辅助变量。由于设计的辅助变量具有非负性,得到动态事件触发机制延长了静态触发机制的最小时间间隔。其次,通过反证法证明没有智能体产生Zeno现象。进一步,利用Lyapunov稳定性判据,证明系统能够渐近实现两分一致性跟踪。最后,数值仿真证实了理论研究的有效性。第五章总结全文,并给出接下来工作的研究方向。

关键词：合作竞争网络异质多智能体系统两分一致性跟踪事件触发机制 Zeno现象

基于事件触发机制的网域化多机器人包含控制技术

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基于事件触发机制的网域化多机器人包含控制技术

作者：孟庆霄中北大学

学位级别：硕士

相比于拥有复杂结构和功能的单体机器人,由多个结构简单的机器人组成的多机器人系统拥有成本更低,冗余度更大,鲁棒性更好和灵活性更高的优点。因此,多机器人系统在复杂、未知、危险环境下拥有更好的表现和更广泛的应用前景,逐渐成为机... 详细信息

相比于拥有复杂结构和功能的单体机器人,由多个结构简单的机器人组成的多机器人系统拥有成本更低,冗余度更大,鲁棒性更好和灵活性更高的优点。因此,多机器人系统在复杂、未知、危险环境下拥有更好的表现和更广泛的应用前景,逐渐成为机器人技术发展的主要趋势。拥有多个领导者的包含控制问题作为多机器人系统的极具有现实意义的问题成为了多机器人系统研究的热点。与此同时,基于事件触发机制的多机器人系统控制策略可以减少控制更新频率,这使得这类多机器人系统额外具有资源消耗低的优势。本文研究了基于事件触发机制的网域化多机器人包含控制问题。首先,建立了能够同时反映跟随者的位置和姿态的多机器人系统运动学模型。其次,依赖于此模型,基于各级误差面设计包含控制协议并且设计了拥有固定阈值的事件触发机制减少控制更新频率。然后,对固定阈值事件触发机制进行改进,设计阈值能够随着控制量大小进行改变的相对阈值事件触发机制,多机器人系统的稳态误差得到降低。最后,考虑外部扰动对多机器人系统的影响,设计扩张状态观测器对外部扰动进行估计并且在包含控制协议中对外部扰动影响进行补偿,提高了多机器人系统的抗干扰能力。在各个控制协议的设计中,根据李雅普诺夫稳定性理论,对设计的控制协议进行了稳定性证明,并证明出所提出的控制协议能够确保所有跟随者可以收敛到由领导者构成的几何凸包内。对于所有的基于事件触发机制的包含控制协议,证明其不会发生Zeno现象。利用MATLAB/SIMULINK软件对所提出的控制协议进行了仿真实验,实验结果验证了所提出的包含控制协议的有效性和优越性。

关键词：多机器人系统包含控制事件触发机制