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基于非恒速二自由度动力学模型的车辆控制方法研究

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基于非恒速二自由度动力学模型的车辆控制方法研究

作者：常亚妮太原科技大学

学位级别：硕士

无人驾驶车辆跳脱了传统的驾驶体验,可以预测其本身的行为、快速反应。无人驾驶车辆的使用可以有效缓解交通压力,增加社会经济收益,保障人身财产安全。在无人驾驶车辆的使用过程中,轨迹跟踪能力和操纵稳定性是判断其性能的基础。因此,... 详细信息

无人驾驶车辆跳脱了传统的驾驶体验,可以预测其本身的行为、快速反应。无人驾驶车辆的使用可以有效缓解交通压力,增加社会经济收益,保障人身财产安全。在无人驾驶车辆的使用过程中,轨迹跟踪能力和操纵稳定性是判断其性能的基础。因此,本文针对无人驾驶车辆在不同行驶工况下的控制方法进行了研究。首先,建立了非恒速二自由度车辆动力学模型。在基本三自由度动力学模型的基础上,将车辆纵向速度与前轮偏角作为控制量,将侧向速度与横摆角速度作为输出量,经过严格的公式推导,得到非恒速二自由度车辆动力学模型。在实际道路上行驶时,该模型的纵向速度可以根据不同的路况进行实时变化。相同条件下,在Matlab/Simulink环境下搭建好改进的车辆模型,并将其输出结果与Car Sim车辆模型的输出结果进行对比。发现两者的输出曲线变化趋势相同,验证了非恒速二自由度车辆动力学模型的有效性。然后,为提高非恒速二自由度车辆动力学模型的稳定性,考虑消除车辆系统之间的耦合关系,对该模型进行神经网络逆系统解耦。首先,采用Interactor算法证明所建模型是可逆系统;然后,搭建基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)和长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的逆系统结构,取代传统的逆系统解耦策略。最后,对该解耦后的车辆系统进行控制及仿真研究。在阶跃转向和双移线恒速工况下,解耦后的系统输出量得到了更好的抑制;在双移线加速工况下,解耦后车辆系统的轨迹曲线与参考轨迹还存在较大的偏移,且侧向速度与横摆角速度的抑制效果较差。表明了此解耦方法不适合车辆在双移线加速工况下行驶。最后,设计了基于改进粒子滤波算法的自适应模型预测控制器。首先,采用改进的粒子滤波算法对模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)进行状态估计,以此补偿车辆状态及测量噪声带来的系统干扰。针对粒子滤波算法中的粒子退化等现象,设计在重采样操作之前对粒子进行一次“再更新”。然后,将该算法应用于MPC进行车辆状态估计,提高算法的自适应性和准确性。最后,将非恒速二自由度车辆动力学模型作为预测模型,构建无人驾驶车辆轨迹跟踪控制器并进行仿真研究。当车辆在双移线恒速工况下行驶时,自适应MPC输出的轨迹曲线与参考轨迹几乎重合,验证了自适应MPC的有效性;当车辆在双移线加速工况下行驶时,同样自适应MPC的输出曲线轨迹跟踪效果最优,稳定性最强;另外,针对自适应MPC设计了多种速度工况下的仿真研究。其结果表明,无人驾驶车辆在自适应MPC下的轨迹跟踪能力和稳定性均优于MPC。

关键词：无人驾驶车辆动力学模型逆系统解耦模型预测控制粒子滤波算法

基于优化神经网络逆模型的三轴电磁振动台谐波抑制及解耦控制技术研究

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基于优化神经网络逆模型的三轴电磁振动台谐波抑制及解耦控制技术...

作者：刘欣超太原理工大学

学位级别：硕士

在科研工作及工业生产实践中,为提高科研水平及生产能力,振动测试系统已被广泛应用。同时,针对振动测试系统检测维度逐渐增加的需求,以及对其振动传感器更高的精度要求,需开发出一种适用于三轴振动传感器的高精度校准方法。在三轴振动... 详细信息

在科研工作及工业生产实践中,为提高科研水平及生产能力,振动测试系统已被广泛应用。同时,针对振动测试系统检测维度逐渐增加的需求,以及对其振动传感器更高的精度要求,需开发出一种适用于三轴振动传感器的高精度校准方法。在三轴振动校准系统中,其主要核心部件为三轴电磁振动台,需实现控制其同步输出较低失真度的三轴正弦振动激励信号,这对三轴振动传感器校准技术的发展具有重要的实际意义。针对三轴电磁振动台存在谐波失真及运动耦合等问题,本论文针对三轴电磁振动台的现有问题,基于理论、仿真及实验层面开展相应的研究。主要内容如下:首先针对三轴电磁振动台,根据簧片解耦结构,建立了簧片式三轴电磁振动台的简化有限元模型。分析了三轴电磁振动台组成部分之一的单轴电磁振动台内部支撑装置的非线性,通过幂级数方法获得表征单轴电磁振动台非线性特性的状态空间表达式,并在Matlab/Simulink中建立了相应的仿真模型,同时搭建了单轴电磁振动台实验系统,基于仿真分析和实验测试,验证了其输出振动加速度信号具有较高的谐波失真。进一步分析其运动耦合特性,并搭建了三轴电磁振动台的实验系统。通过仿真及实验分析了三轴电磁振动台输出振动信号具有谐波失真及轴间运动耦合特性。其次以PID控制理论构建单轴电磁振动台PID控制系统,针对PID控制系统存在参数调整困难、无法覆盖整个需求频率范围等问题,进一步提出模糊PID控制策略,仿真分析控制后单轴电磁振动台输出低频振动加速度失真度验证控制效果。进一步,基于神经网络辨识方法拟合得到三轴电磁振动台有限元模型和实验系统的Matlab/Simulink仿真模型,设计了x、y、z三轴的模糊PID控制器,分别与两个仿真模型组合构成了三轴电磁振动台模糊PID控制系统,通过仿真及实验分别分析了控制后三轴电磁振动台输出三轴加速度波形的失真度验证控制效果。再次基于逆系统控制原理,分析单轴电磁振动台系统的可逆性,通过均匀采样法获取仿真模型及实验系统的大量样本数据,辨识得到单轴电磁振动台仿真模型及实验系统的两个神经网络逆模型,并分别串接到各自原系统前,初步实现了对单轴电磁振动台输出振动谐波的有效抑制。进一步,基于逆系统解耦控制原理,分析三轴电磁振动台系统的可逆性,通过均匀采样法获取有限元模型及实验系统的大量样本数据,辨识得到三轴电磁振动台有限元模型及实验系统的两个神经网络逆模型,并分别串接到各自原系统前,初步实现三轴电磁振动台系统各轴输出振动的谐波抑制和解耦控制。然后基于最近邻均匀设计样本优化方法,在均匀采样法样本数据中抽取优化样本,辨识得到单轴电磁振动台仿真模型及实验系统的两个优化神经网络逆模型,同时分别串接到各自原系统前,实现了对单轴电磁振动台输出振动谐波的精确抑制。进一步,根据样本优化方法抽取三轴电磁振动台优化样本,辨识得到三轴电磁振动台有限元模型及实验系统的两个优化神经网络逆模型,同时分别与各自原系统相互串联,将三轴电磁振动台耦合系统解耦为三个沿x、y、z轴的子系统,实现对三轴电磁振动台各轴输出振动的精确谐波抑制及解耦控制。最后对搭建的三轴电磁振动台系统进行实验测试。基于谐波失真抑制和运动解耦控制技术的研究成果,通过实验测试输入设定的三轴电磁振动台解耦控制系统目标振动信号,分析其实际输出振动信号与目标振动信号间幅相控制误差及加速度波形失真度等指标,验证谐波抑制及解耦控制技术的正确性。

关键词：三轴电磁振动台模糊PID 逆系统解耦神经网络最近邻均匀设计

链式STATCOM的改进型逆系统滑模控制策略研究

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电力系统及其自动化学报 2021年第1期33卷 70-77页

作者：朱红萍周振怿李毅危鸿达尹逸之湖南科技大学信息与电气工程学院湘潭411201

为提高链式静止同步补偿器STATCOM(static synchronous compensator)系统的解耦精确度和抗扰动能力,提出一种改进型逆系统滑模控制策略。首先采用DSOGI-PLL电流检测法结合对称分量法在系统不平衡工况下建立稳态逆系统解耦数学模型,进而... 详细信息

为提高链式静止同步补偿器STATCOM(static synchronous compensator)系统的解耦精确度和抗扰动能力,提出一种改进型逆系统滑模控制策略。首先采用DSOGI-PLL电流检测法结合对称分量法在系统不平衡工况下建立稳态逆系统解耦数学模型,进而得到正负序有功、无功调制信号。结合改进变速趋近律的滑模控制及载波相移正弦波脉宽调制CPS-SPWM(carrier phase shift-sinusoidal pulse width modulation),完成系统控制器的设计。通过仿真结果表明,采用本文所提出的控制策略与PI控制方法相比较,装置的动态响应能力、补偿系统无功能力更好、鲁棒性更强,验证了所提控制策略的正确性和可行性。

关键词：链式静止同步补偿器逆系统解耦滑模控制不平衡工况鲁棒性

基于RBF神经网络的转台伺服系统控制策略研究

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基于RBF神经网络的转台伺服系统控制策略研究

作者：蒋超北京交通大学

学位级别：硕士

本文将对三轴转台存在的问题进行研究,转台是航空航天领域发展过程中不可缺少的设备,它可以对导弹等设备的飞行姿态进行模拟,但是三轴转台框架之间的运动存在着严重的耦合现象,使得三个框架在同时运动过程中不能按照所设定的速度和位置... 详细信息

本文将对三轴转台存在的问题进行研究,转台是航空航天领域发展过程中不可缺少的设备,它可以对导弹等设备的飞行姿态进行模拟,但是三轴转台框架之间的运动存在着严重的耦合现象,使得三个框架在同时运动过程中不能按照所设定的速度和位置运行,严重影响了转台的精度,控制方法对转台的跟踪误差和响应时间有着举足轻重的影响;摩擦存在于很多运动当中,针对转台运行过程中存在的摩擦现象,需要设计相应的方法对其进行抑制,最终让转台达到理想的运动效果。(1)首先对三轴转台进行建模,针对三个框架存在的耦合现象建立三个框架坐标系之间的变换关系,完成动力学模型的建立;然后根据电机的数学模型建立电机输出力矩方程;最后设计逆系统解耦控制律完并成模型的搭建,通过仿真可以验证出解耦控制律的效果。(2)对转台控制策略进行研究。针对转台在运行过程中存在的模型参数发生变化从而导致经典控制方法控制效果变坏的情况,本文使用RBF神经网络对PID参数进行整定,使其可以解决外界环境变化等干扰因素对系统的影响;首先对PID控制下的转台系统进行仿真分析,然后对RBF神经网络进行研究,设计RBF神经网络PID控制器,使用s函数在MATLAB中编写神经网络迭代学习程序,并与Simulink进行联合仿真,与PID控制效果进行对比分析,从而可以看出RBF-PID控制器的效果。(3)针对转台存在的摩擦现象设计相应的摩擦抑制方法实现对摩擦的抑制。本文使用加速度反馈提高系统的伺服刚度来对摩擦进行补偿,选用Stribeck摩擦模型,确定摩擦参数后使用MATLAB/Simulink进行系统建模与仿真,通过仿真来验证本文使用的摩擦抑制方法的有效性。(4)使用Simscape进行电机物理模型的搭建与仿真,区别于Simulink中数学模型与传递函数的建模仿真,通过对电机物理模型建模仿真来验证本文使用的RBF神经网络PID控制方法和摩擦抑制方法具有更高的可靠性。

关键词：三轴转台逆系统解耦 RBF神经网络加速度反馈 Simscape

无轴承异步电机的无功功率MRAS转速辨识研究

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控制工程 2020年第7期27卷 1118-1124页

作者：陈有鹏卜文绍张晓峰李彪黄永全河南科技大学信息工程学院河南洛阳471023 河南科技大学电气工程学院河南洛阳471023

为了克服基于磁链模型参考自适应(MRAS)转速辨识方法中积分环节和定子电阻的影响,提高无轴承异步电机的转速辨识精度,提出了一种在静止α-β坐标系下基于无功功率MRAS转速辨识方法。首先,简要介绍了基于磁链的MRAS转速辨识方法;然后,详... 详细信息

为了克服基于磁链模型参考自适应(MRAS)转速辨识方法中积分环节和定子电阻的影响,提高无轴承异步电机的转速辨识精度,提出了一种在静止α-β坐标系下基于无功功率MRAS转速辨识方法。首先,简要介绍了基于磁链的MRAS转速辨识方法;然后,详细研究了基于转矩绕组无功功率的MRAS转速辨识算法,构建了基于Popov超稳定理论的转速自适应律;并对基于无功功率的MRAS转速辨识方法进行了稳定性分析;最后,通过Matlab/Simulink进行了仿真分析。仿真结果表明:提出的方法能在不同工况下获得较高的转速辨识精度,实现无速度传感器方式下无轴承异步电机的稳定悬浮运行,所提出的基于转矩绕组无功功率MRAS无轴承异步电机无速度传感器控制系统是有效和可行的。

关键词：无轴承异步电机无功功率模型参考自适应无速度传感器逆系统解耦

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磁悬浮球形关节三维动力学模型与控制特性

机械工程学报 2011年第21期47卷 69-75页

作者：曾励张帆徐媛媛扬州大学机械工程学院扬州225127

球形电动机直接支承驱动的多自由度球形主动关节机械集成度高,在控制和轨迹规划方面占有优势。但在高速、超高速运转时,由于机械支承的摩擦磨损,造成关节部件发热,导致关节的动态特性变差。基于电动机技术、磁悬浮技术,提出一种新型多... 详细信息

球形电动机直接支承驱动的多自由度球形主动关节机械集成度高,在控制和轨迹规划方面占有优势。但在高速、超高速运转时,由于机械支承的摩擦磨损,造成关节部件发热,导致关节的动态特性变差。基于电动机技术、磁悬浮技术,提出一种新型多自由度磁悬浮球形主动关节,建立关节电磁悬浮力和电磁转矩的耦合模型;推导出关节转子在电磁悬浮力和电磁转矩作用下的三维动力学原型模型和逆系统模型,并对关节系统进行状态反馈的解耦线性化处理,使其完全解耦成6自由度方向独立的线性系统,经过比例微分先行的伪微分反馈调节器控制及仿真可知,解耦线性化的关节系统稳定性好、响应速度快,具有良好的动态性能和抗干扰能力很强的鲁棒性能。

关键词：磁悬浮球形关节悬浮力电磁转矩逆系统解耦控制特性

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无轴承异步电机的自抗扰控制策略

电机与控制应用 2017年第9期44卷 94-99页

作者：黄永全卜文绍张晓峰何方舟河南科技大学信息工程学院河南洛阳471023 河南科技大学电气工程学院河南洛阳471023

针对无轴承异步电机(BLIM)的逆系统解耦控制性能受负载和参数变化影响的问题,在转子磁链定向逆系统解耦控制的基础上,采用自抗扰控制器(ADRC)替换经典的PID控制器,将BLIM模型中的交叉耦合项、本体参数变化和负载视为"扰动",统一用ADRC... 详细信息

针对无轴承异步电机(BLIM)的逆系统解耦控制性能受负载和参数变化影响的问题,在转子磁链定向逆系统解耦控制的基础上,采用自抗扰控制器(ADRC)替换经典的PID控制器,将BLIM模型中的交叉耦合项、本体参数变化和负载视为"扰动",统一用ADRC的扩张状态观测器(ESO)估测,非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)进行补偿。仿真结果表明:采用了ADRC,系统具有较好的动态解耦控制性能;同时,对电机参数和负载变化具有更好的鲁棒性。

关键词：无轴承异步电机自抗扰控制器转子磁场定向逆系统解耦鲁棒性

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无轴承异步电机气隙磁场定向逆解耦控制

电气传动 2016年第9期46卷 57-61页

作者：程相辉卜文绍李自愿路春晓河南科技大学信息工程学院河南洛阳471003

针对无轴承异步电机多变量、非线性、强耦合的复杂问题,提出了基于气隙磁场定向的逆系统解耦控制方法,首先分析与建立了无轴承异步电机的动态数学模型,分析了系统的可逆性,建立了逆系统动态数学模型;然后采用逆系统动态解耦控制策略把... 详细信息

针对无轴承异步电机多变量、非线性、强耦合的复杂问题,提出了基于气隙磁场定向的逆系统解耦控制方法,首先分析与建立了无轴承异步电机的动态数学模型,分析了系统的可逆性,建立了逆系统动态数学模型;然后采用逆系统动态解耦控制策略把无轴承异步电机动态解耦为电机转速、气隙磁链和2个径向位移分量等4个线性化子系统,并给出了解耦控制系统结构;最后进行了系统仿真验证分析。仿真结果表明:系统具有良好的动态解耦控制性能、较快的响应速度和较强的抗负载转矩扰动能力。

关键词：无轴承异步电机气隙磁场定向逆系统解耦建模与仿真

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无轴承异步电机的动态解耦控制策略研究

无轴承异步电机的动态解耦控制策略研究

作者：何方舟河南科技大学

学位级别：硕士

无轴承异步电机是集磁轴承与异步电机功能于一体的新型电机,它具有结构简单、易于弱磁升速、磁悬浮力刚度系数大等特点。无轴承异步电机内部存在复杂的电磁耦合关系,相关变量之间的解耦是实现其高性能控制的关键。为克服电机参数变化对... 详细信息

无轴承异步电机是集磁轴承与异步电机功能于一体的新型电机,它具有结构简单、易于弱磁升速、磁悬浮力刚度系数大等特点。无轴承异步电机内部存在复杂的电磁耦合关系,相关变量之间的解耦是实现其高性能控制的关键。为克服电机参数变化对系统控制性能的影响,本文针对无轴承异步电机的动态解耦控制策略展开研究,主要工作包括:1.针对电机参数发生变化和负载扰动导致的无轴承异步电机系统稳定性能下降的问题,在考虑定子电流动态的无轴承异步电机逆系统解耦的基础上,对解耦后的四个伪线性子系统设计了滑模变结构控制器,引入指数趋近律来消减滑模控制器的抖振问题,并采用Lyapunov方法进行了稳定性分析。仿真结果表明:该方案不但有优良的动态解耦性能,还具有响应速度快和鲁棒性强等特点。2.针对实用中无轴承异步电机的逆模型难以得到的问题,将神经网络辨识建模与逆系统理论相结合,研究了神经网络逆系统解耦控制策略。首先,运用神经网络学习建模得到神经网络逆模型;然后,将神经网络逆模型与原系统相串联,把无轴承异步电机解耦成四个二阶线性子系统,最后对各子系统分别设计了PID控制器。仿真结果表明:神经网络逆系统的容错性使无轴承异步电机系统具有良好的抗干扰性。3.针对PID控制器的自适应控制能力较弱的问题,在神经网络逆系统解耦的基础上,利用模糊控制对PID参数实施自整定,研究了模糊自适应PID控制算法。仿真结果表明:模糊自适应PID控制器不但具有PID控制的特点,还具有响应时间短、稳态误差小的优点。

关键词：无轴承异步电机逆系统解耦神经网络逆系统滑模变结构控制模糊自适应PID控制