检索结果-内蒙古大学图书馆

现代飞行器追求飞行高度更高、飞行速度更快的目标,以及大量智能轻质材料的采用,使得柔性机翼的气动弹性问题日益突出。依靠控制面偏转改变气动载荷是当前消除或减弱机翼颤振常用的主动控制方法,是航空航天界的研究热点。此外,新型压电材料具备响应速度快、可提供更大的驱动力、结构简单和功耗低等诸多优点,近年来得到了迅猛的发展,广泛地应用于机翼气动弹性主动控制。现在大部分文献中主动控制都是基于全状态反馈,随着测量位移、速度和加速度等状态的传感器增加,大大增加了传感器失效的概率。本文基于张量积模型变换理论和线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)理论,分别以亚音速流下独立尾缘控制面驱动和压电作动器驱动的机翼非线性气动弹性系统为研究对象,对机翼颤振抑制的输出反馈控制方法等展开了深入的研究。本文具体的研究内容如下: (1)针对系统部分状态可测的情况下,提出了基于观测器的输出反馈控制方法。运用并行分布补偿(Parallel Distributed Compensation,PDC)技术设计了整个系统的控制器和观测器,并结合LMI理论,推导了满足闭环系统渐进稳定的充分条件;最后在TP-Tool工具箱的基础上开发了基于观测器的张量积模型变换控制方法。 (2)将输出反馈控制方法应用于独立尾缘控制面驱动的非定常机翼非线性气动弹性系统的颤振主动控制问题。首先以带尾缘控制面的二元机翼为研究对象,考虑立方非线性俯仰刚度,采用Theodorsen理论计算非定常气动力,结合拉格朗日方程推导出结构-气动耦合动力学模型;最后将输出反馈控制方法应用于独立尾缘控制面驱动的机翼颤振抑制,并对其进行了数值仿真验证。 (3)将输出反馈控制方法应用于压电材料驱动的机翼非线性气动弹性系统的颤振主动控制问题。首先将机翼简化为板结构,以压电片粘贴在其上表面作为驱动器的机翼为研究对象,采用势流理论近似模拟得到亚音速流场中的气动力,结合压电本构关系和哈密顿理论推导出结构-气动-压电耦合模型;然后引入结构的大变形,利用假设模态法和伽辽金法对耦合动力学模型离散化得到系统的状态空间方程;最后将输出反馈控制方法应用于压电材料驱动的机翼颤振抑制,并对其进行了数值仿真验证。

关键词：柔性机翼非线性气动弹性系统张量积模型变换独立尾缘控制面压电作动器输出反馈控制

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基于张量积模型变换的多自由度机械臂控制器设计

基于张量积模型变换的多自由度机械臂控制器设计

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作者：蔡圣烨内蒙古大学

学位级别：硕士

本文以ABB公司生产的小型工业机械臂IRB 120为研究对象,采用基于张量积模型变换的控制器设计框架构建闭环控制系统。针对该框架下难以求取多变量、复杂非线性系统的状态反馈增益矩阵的问题,提出了模糊区间论域划分的策略,实现了系统控... 详细信息

本文以ABB公司生产的小型工业机械臂IRB 120为研究对象,采用基于张量积模型变换的控制器设计框架构建闭环控制系统。针对该框架下难以求取多变量、复杂非线性系统的状态反馈增益矩阵的问题,提出了模糊区间论域划分的策略,实现了系统控制输入在不同区间内运动下的平滑切换。进一步,为了充分利用模糊模型构建原始非线性系统的优势,基于机械臂动力学模型的特殊性质,提出了特定于机械臂系统的多项式模糊模型的构建方法。这有效地减少了模糊模型的规则数,同时降低了求解系统稳定问题的计算负载。最后,在机器人动力学仿真软件上搭建了IRB 120控制系统的仿真平台,并通过仿真结果验证了所设计控制器的正确性和有效性。本文的主要工作如下几个方面:·介绍了机械臂的空间位姿表示、运动学和动力学的分析方法,并给出了IRB 120的系统模型参数。通过DH参数法和拉格朗日建模方法分别对IRB120进行了运动学和动力学分析。然后,采用Matlab第三方机器人工具箱Robotic Toolbox对建立的机械臂坐标系统和动力学模型进行了分析验证;·对机械臂状态空间方程执行张量积模型变换,并采用并行分布式补偿的控制方法构建闭环控制系统。针对传统基于张量积模型变换的控制器设计框架下难以求解多变量系统可行解的问题,提出了模糊区间论域划分的策略,降低了各子区间内系统模型的非线性复杂度从而将整体系统控制器设计问题简化为在各子区间内求解反馈增益矩阵的可行解问题。进一步地,为了保证系统控制输入在任意时刻下的连续性,采用模糊推理的方法加权组合了各子区间下的控制输入,有效消除了系统控制输入的跳变现象;·为了充分利用模糊模型构建原始非线性系统的优势,根据机械臂动力学模型的特殊性质,提出特定于机械臂系统的多项式模糊模型的构建方法。分析比较了IRB 120模糊模型与多项式模糊模型在模型近似精度,求解系统反馈增益矩阵的计算负载以及两者之间的制约关系。结果表明了多项式模糊模型减少了变参数向量的维度,降低了张量积模型变换后的模糊规则数,同时大幅度减少了求解系统稳定问题的计算负载;·基于Simulink Simscape构建IRB 120机械臂三维仿真场景,验证所设计模糊控制器的有效性。同时,为了方便后续机械臂实际应用的扩展开发,基于机器人动力学仿真软件Coppelia Sim,通过Zero MQ远程API通信的方式,搭建Matlab与Coppelia Sim的联合仿真平台,以更加直观的方式分析、验证机械臂关节角度变化以及末端执行器的运动轨迹。

关键词：机械臂张量积模型变换模糊模型线性矩阵不等式平方和规划

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移动两轮机器人的张量积模型变换控制器设计

移动两轮机器人的张量积模型变换控制器设计

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作者：师宝内蒙古大学

学位级别：硕士

两轮机器人是欠驱动系统中的经典模型之一,具有多变量、不稳定、非线性、强耦合等特点。因此,两轮移动机器人被当做验证控制算法品质的典型平台之一。本文以两轮机器人为被控对象,提取机器人的伪线性参变模型,并展开张量积模糊控制方法... 详细信息

两轮机器人是欠驱动系统中的经典模型之一,具有多变量、不稳定、非线性、强耦合等特点。因此,两轮移动机器人被当做验证控制算法品质的典型平台之一。本文以两轮机器人为被控对象,提取机器人的伪线性参变模型,并展开张量积模糊控制方法的研究。本文的主要工作如下:1.构建轮式机器人的非线性扰动模型。针对定点线性化模型所设计的控制器具有鲁棒性低的弊端,采用拉格朗日建模方法对两轮机器人进行物理建模。同时,考虑机器人左、右轮受到相同扰动以及不同扰动的情况,从而获得机器人的伪线性参变模型。2.基于张量积(TP)的变论域区间II型模糊逻辑控制器设计。针对模糊控制方法的模糊规则数多、计算量增大的问题,基于线性变参数技术和变论域区间II型模糊方法设计控制器。使用线性矩阵不等式来解决变论域误差和误差导数增益,从而简化控制器的设计。通过仿真结果可以看出,改进后的控制方法具有响应速度快、镇定时间短的优势。3.变结构张量积模糊控制器设计。TP模型的等距采样方式容易造成局部极值信息的丢失。通过对输入空间变化的模型加入局部极值来细化入口函数划分的凸包操纵方法,即该方法是基于变输入伪线性参变状态空间模型设计的,实现在高度逼近模型的基础上减少计算量的设计。同时,对TP模型变换使用非固定时间步长采样方法。通过最小体积单纯形方法分别优化Hammersley采样方法和均匀设计方法,从而实现非均匀采样方法的设计。通过仿真对比结果可以看出,新控制方法具有强鲁棒性。4.虚拟现实场景下的最优路径追踪控制器设计。现有的分布式补偿控制器是利用线性矩阵不等式寻找可行解,控制器参数的优化尚未深入研究。通过常用的仿生算法对基于TP模型变换的分布式补偿控制器的增益参数进行优化,展示算法全局优化的能力。随后,搭建控制器的参数优化界面,提高优化算法的便捷性。通过仿真对比可以看出,优化算法提高控制器的控制性能,使得路径的追踪速度最快、产生的位移超调最小。5.基于树莓派搭建两轮机器人的测试平台,对上述改进并设计的控制方法进行实验验证。同时,对固高两轮机器人完成3D建模,通过虚拟现实场景验证新控制器的有效性。

关键词：两轮机器人系统张量积模型变换变论域区间Ⅱ型模糊集优化算法

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欠驱动非线性系统的张量积模糊自适应控制

欠驱动非线性系统的张量积模糊自适应控制

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作者：赵国亮大连理工大学

学位级别：博士

欠驱动系统广泛应用于交通、冶金、国防和装备制造等重要领域,经济的发展使得这些领域的竞争变得日趋激烈,对设备的要求也越来越高,从而导致对控制系统的性能有了更高的要求,尤其是控制器的自适应性.在倒立摆这类欠驱动系统控制领域,变... 详细信息

欠驱动系统广泛应用于交通、冶金、国防和装备制造等重要领域,经济的发展使得这些领域的竞争变得日趋激烈,对设备的要求也越来越高,从而导致对控制系统的性能有了更高的要求,尤其是控制器的自适应性.在倒立摆这类欠驱动系统控制领域,变论域模糊自适应理论已被证明存在较高的自适应性,是应用较为成功的模糊理论之一.本文从分析变论域模糊自适应控制局限于半严格纯反馈模型出发,首先深入研究了避免变论域模糊自适应控制器使用半严格纯反馈模型的问题,发现了影响该自适应理论用于更一般模型,比如拟线性参变模型的制约因素并提出了张量积自适应模糊控制算法；针对存在结构不确定的纯反馈系统,应用张量积模型逼近误差为舍弃奇异值有界函数这一性质,提出了针对结构不确定纯反馈系统的张量积自适应积分滑模控制方法；其次针对欠驱动系统存在多个控制目标和耦合变量的问题,借鉴变论域自适应伸缩因子的设计只基于误差和误差变化的思想,将目标因素纳入到由主滑模面和辅助滑模面构成的混合滑模面,研究了可直接由张量积模型状态变量设计自适应控制器的方法；最后为了提高变论域模糊自适应控制器的控制精度以及泛化能力,进一步揭示变论域模糊控制思想的自适应机理,针对存在未建模部分的欠驱动系统,提出A2-C1型模糊自适应控制方法,进一步改善变论域模糊自适应控制器对高频参考信号的自适应跟踪能力.本文的主要工作归纳如下：1)以张量积模型变换和逼近理论为背景,以避免变论域模糊自适应控制器使用半严格纯反馈模型为目标,发现张量积模型能够将变论域模糊自适应控制对象不再局限于半严格纯反馈模型,且该模型的张量积并行分布补偿方法还可以为伸缩因子提供时变综合增益,提出了张量积模糊自适应算法.为解决上述问题,首先得到欠驱动系统的拟线性参变形式,结合张量积并行补偿控制方法求取的误差和误差变化增益及衰减参数,设计了两种模糊自适应控制器.模糊自适应控制器的误差和误差变化增益由权重隶属度函数动态给出.此外,利用张量积并行补偿控制方法计算得到衰减率,从而使用衰减因子构建了新的Lyapunov函数.应用σ-自适应策略的张量积模糊自适应控制方法去除了对系统扰动上界已知的约束.为了提高张量积模糊自适应控制方法处理结构不确定欠驱动系统的能力,对于n阶不确定纯反馈欠驱系统,首先采用张量积模型去逼近原系统,将n阶不确定系统变换成拟线性参变形式的标称部分与集总不确定两部分,标称部分的拟线性参变模型是一个多面体组合模型且组合系数满足归一化条件.然后利用积分滑模面能够在开始时刻就进入滑动模态的特性,结合σ-自适应方法和线性矩阵不等式,设计了基于张量积模型变换的自适应积分滑模控制器,减少了系统状态到达平衡点的到达时间,解决了实际系统不存在理想滑模面而导致控制器自适应增益持续增加的问题.2)以张量积模型变换理论为背景,针对欠驱动系统存在多个控制目标和耦合变量的问题,对于欠驱动系统的拟线性参变模型,借鉴变论域自适应理论中的伸缩因子设计思想,提出将多个目标纳入到一个滑模面的混合滑模面设计方案,研究了可直接由张量积模型状态变量设计自适应控制器的方法.针对单输入多输出欠驱动非线性系统,首先采用张量积模型变换,得到欠驱动系统的拟线性参变模型.该模型是一个数值型拟线性参变模型,由于此时的拟线性参变模型保留了所有奇异值,因此该模型是欠驱动系统的精确描述.针对该数值模型的每一子系统,设计了不同滑模面,保证子系统有限时间进入滑动模态.对于张量积模型变换下的解耦终端滑模控制,滑模面和控制律的设计不需要系统的解析模型,直接由张量积模型的状态变量设计,体现了张量积模型变换方法优异的模型变换能力.3)为了提高变论域模糊自适应控制器的控制精度,将模糊集扩展为Ⅱ型模糊集,进一步增强变论域自适应方法对高频参考信号的自适应跟踪能力,揭示变论域模糊控制思想的自适应机理.对于半严格纯反馈非线性系统,利用变论域自适应方法和Ⅱ型模糊集理论设计了A2-C1型进化自适应模糊控制器,进化自适应模糊控制器的反馈控制器中的伸缩因子能够根据误差和误差变化自适应地调节.对于A2-C1型进化自适应模糊控制器,使用量子细菌觅食算法离线优化区间Ⅱ型模糊集,提出的A2-C1型进化模糊系统可被当作直接自适应模糊控制器使用.为验证混合滑模面思想的有效性,进一步研究了存在未知非线性部分的二阶欠驱动系统,利用动态模糊神经网络估计未建模部分.首先根据混合滑模面的设计思想,把该系统划分为两个二阶子系统,对每个系统设计了不同的滑模面,从而保证每个子系统的收敛特性.在此基础上给出了一种间接自适应解耦滑模控制方法,该方法克服了系统存在未知非线性部分的困难,将耦合的变量转化为混合滑模面的设计,提高了解耦滑模控制器的自适应能力.针对上述控制方法,本文在一级倒立摆、平行双倒立摆、旋转激励的平移振荡器等系统上进行了仿真和实验验证.结果证实了本文方法的有效

关键词：模糊控制张量积模型变换滑模控制自适应控制变论域

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四旋翼飞行器的张量积模糊建模与位姿控制研究

四旋翼飞行器的张量积模糊建模与位姿控制研究

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作者：常飞内蒙古大学

学位级别：硕士

四旋翼无人机的机械结构简单,广泛应用于植保、巡检、勘探等重要领域,它不仅可以执行狭小环境中的任务,且具有易于携带,后期维护成本低等优点,而且涉及诸多高精尖学科的交叉融合,因此具有十分广泛的研究价值。本文以四旋翼无人机非线性... 详细信息

四旋翼无人机的机械结构简单,广泛应用于植保、巡检、勘探等重要领域,它不仅可以执行狭小环境中的任务,且具有易于携带,后期维护成本低等优点,而且涉及诸多高精尖学科的交叉融合,因此具有十分广泛的研究价值。本文以四旋翼无人机非线性模型为研究对象,针对四旋翼无人机高阶系统控制的复杂性,提出了一种鲁棒性能好的双闭环控制策略来实现位置和姿态系统的跟踪控制。本文主要工作总结为如下几个方面:1)本文首先分析并建立四旋翼无人机非平衡点线性化的伪线性参变模型,给出了被控对象的数学模型,为后续的控制器设计与分析提供研究对象。2)针对四旋翼无人机高阶系统的强耦合、非线性的特点,将四旋翼无人机模型解耦为位置环子系统和姿态环子系统。针对姿态环子系统张量积模型中存在的非线性入口函数,由于经典等距采样方法无法精确获得模型的全部信息,提出了一种局部加细的张量积模型变换并行分布式补偿控制方法,仿真结果表明该控制算法的有效性。3)针对四旋翼无人机整体系统的控制,提出了一种新型双闭环控制策略,即位置环子系统使用全驱控制方法,利用极点配置的思想进一步设计反馈控制律;姿态环子系统使用基于张量积模型变换的并行分布式补偿控制方法,由于经典等距采样方法无法采样到模型全部信息,提出了一种基于变输入方法的并行分布式补偿控制策略,在此基础上加入均匀设计采样方法,仿真结果表明引入变输入方法以及均匀设计采样方法下张量积模型变换的并行分布式补偿控制的有效性。4)针对基于张量积模型变换的并行分布式补偿控制无法自适应调节相应参数,提出了量子细菌觅食算法的全局优化控制器,该算法能够保证控制参数在可行域内达到最优解,为后续虚拟现实仿真平台以及实物验证平台奠定了基础。5)通过MATLAB/SIMULINK搭建虚拟现实仿真平台,用以测试所提出的双闭环控制策略的有效性;搭建以Parrot Minidrone无人机为核心的实物验证平台,通过室内和室外的实验充分验证该双闭环控制策略的有效性以及全局优化控制器的必要性。

关键词：四旋翼飞行器张量积模型变换全驱控制变输入方法并行分布式补偿控制

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基于张量积变论域模糊系统的无人自行车控制

基于张量积变论域模糊系统的无人自行车控制

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作者：谢德鹏大连理工大学

学位级别：硕士

无人自行车作为典型的非线性欠驱动系统,具有复杂的耦合关系和不稳定性质,这使其成为评估控制算法性能优劣的理想平台。此外,无人自行车作为新兴的智能交通工具,在工程领域有许多实际场景用途。针对无人自行车控制系统,本文开展了下述... 详细信息

无人自行车作为典型的非线性欠驱动系统,具有复杂的耦合关系和不稳定性质,这使其成为评估控制算法性能优劣的理想平台。此外,无人自行车作为新兴的智能交通工具,在工程领域有许多实际场景用途。针对无人自行车控制系统,本文开展了下述几个方面的研究: 首先,本文基于张量积模型变换方法建立了无人自行车的张量积模糊模型,随后结合并行分布式补偿控制策略设计了张量积变论域模糊控制器,旨在确保无人自行车的平衡稳定控制。为了解决控制器内部参数无法自适应调节的问题,采用了黑猩猩启发式优化算法对控制器进行改进。通过仿真验证了设计的控制器具有较强的调节能力和鲁棒性能,能够有效地应对系统状态变化和外部干扰。其次,本文研究了无人自行车的全局路径规划和轨迹跟踪。针对路径规划问题,基于当前环境信息采用深度确定性策略梯度算法不断调整人工势场法中的斥力因子,并融合无人自行车的角度约束条件规划出最优路径。针对轨迹优化和轨迹跟踪问题,采用B样条曲线方法作为轨迹优化算法,并结合无人自行车轨迹跟踪模型追踪优化后的最优路径。仿真结果表明,设计的张量积变论域模糊控制器在复杂环境中能够较好地保持无人自行车的车身平衡,并在多障碍环境中能够准确跟踪规划好的最优路径轨迹,表现出良好的鲁棒性。最后,本文开发了无人自行车控制系统的软件平台。该平台能够实现控制器的参数优化、全局地图的路径规划、轨迹优化和轨迹跟踪等功能,并且提供了友好的界面交互以及具备良好的可扩展性,使无人自行车研究过程中的参数设置和状态监控更加便捷。

关键词：无人自行车张量积模型变换并行分布式补偿控制变论域模糊控制路径规划

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无人机系统的张量积模糊观测器设计与研究

无人机系统的张量积模糊观测器设计与研究

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作者：王小兰内蒙古大学

学位级别：硕士

无人直升机因其悬停、垂直起飞和降落的能力,比其他无人机具有优势。四旋翼无人机由于它简单的结构以及独特的飞行方式,使其成为目前来说应用比较广泛的飞行器。由于在实际控制系统中,受到噪声干扰、传感器精度限制等因素的影响,无法直... 详细信息

无人直升机因其悬停、垂直起飞和降落的能力,比其他无人机具有优势。四旋翼无人机由于它简单的结构以及独特的飞行方式,使其成为目前来说应用比较广泛的飞行器。由于在实际控制系统中,受到噪声干扰、传感器精度限制等因素的影响,无法直接测量到系统的所有状态变量。因此针对直升机和四旋翼非线性系统模型,引入张量积模型变换观测器来估计系统状态,提高数据精度,从而提升控制系统性能。本文主要工作如下:1.无人机动力学模型的建立。对于控制器和观测器深入展开研究之前基于无人机的动力学规律和结构分析建立直升机和四旋翼的数学模型。2.全维观测器和降维观测器的设计。针对直升机欠驱动、多变量且内部耦合非常严重的非线性系统,为了能够提高数据精度,首先根据系统状态的维度利用Takagi-Sugeno模糊控制的方法设计了直升机全维和降维观测器。但由于TS模糊控制难于计算复杂欠驱动系统而且难于解析隶属度函数,并且需要求解隶属度函数的约束方程。所以,用张量积模型变换和TS模糊控制理论结合起来的控制方法即张量积模糊控制容易得到欠驱动系统模型,进而基于直升机和四旋翼伪线性参变模型实现全维观测器和降维观测器的设计。最后,通过仿真,对直升机的TS和张量积并行分布式补偿观测器的性能进行了比较,发现张量积并行分布式补偿观测器的性能优于TS观测器。3.扰动观测器和时滞观测器的设计。由于系统中存在扰动,而且扰动不能直接测量的情况下,针对直升机和四旋翼提出了张量积扰动观测器,用来提高系统的鲁棒性。同时,针对系统中存在的时滞现象导致系统稳定性降低,本文引入原始张量积模型变换的扩展张量积时滞模型变换,进而设计张量积时滞模型变换观测器。并且通过高阶奇异值和线性矩阵不等式获得反馈增益和观测增益,仿真验证扰动观测器和时滞观测器的有效性。4.四旋翼无人机的仿真平台设计。通过Rfly Sim实验平台从建模到运用张量积模糊模型控制方法的控制器和观测器的设计进行四旋翼的软件在环仿真,并且连接飞控以及遥控器进行硬件在环仿真来验证算法有效性,并对其结果进行分析。

关键词：无人机 TS模糊控制张量积模型变换并行分布式补偿控制观测器

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基于图像视觉伺服的PDC控制方法

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控制工程 2013年第2期20卷 334-338页

作者：王婷婷刘国栋江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室自动化研究所江苏无锡214122

针对当前基于图像的视觉伺服(IBVS)方法难以处理系统约束以及局部渐进稳定等的问题,提出一种新的并行分布补偿(PDC)控制方法。首先,运用张量积(TP)模型变换将视觉伺服系统模型转换为线性时不变系统的凸组合形式;然后,根据并行分布补偿... 详细信息

针对当前基于图像的视觉伺服(IBVS)方法难以处理系统约束以及局部渐进稳定等的问题,提出一种新的并行分布补偿(PDC)控制方法。首先,运用张量积(TP)模型变换将视觉伺服系统模型转换为线性时不变系统的凸组合形式;然后,根据并行分布补偿原理将视觉伺服系统的控制变量通过求解线性矩阵不等式的凸优化问题获得,其可行解保证视觉伺服系统的闭环渐进稳定性。该方法除了能够避免直接求解图像雅可比矩阵的逆而无需考虑图像奇异问题外,还易于处理系统约束,根据执行器的机械限制有效规划控制信号的强度。两自由度连杆系统的仿真结果验证了该方法的有效性。

关键词：张量积模型变换基于图像的视觉伺服线性矩阵不等式并行分布补偿

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基于观测器的非定常机翼LPV模型振动控制

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智能计算机与应用 2021年第12期11卷 126-132页

作者：胡志贤杨慧上海工程技术大学航空运输学院上海201620

针对含结构立方非线性和非定常气动力作用下的机翼振动问题,提出了基于观测器的张量积模型变换的LMI控制方法。首先,使用拉格朗日方程和Theodorsen非定常理论建立了不可压缩流下机翼的运动方程,引入两个空气动力状态变量来构建状态空间... 详细信息

针对含结构立方非线性和非定常气动力作用下的机翼振动问题,提出了基于观测器的张量积模型变换的LMI控制方法。首先,使用拉格朗日方程和Theodorsen非定常理论建立了不可压缩流下机翼的运动方程,引入两个空气动力状态变量来构建状态空间方程;然后选定变参数离散化,采用高阶奇异值分解(HOSVD),提取出线性时不变(LTI)顶点;之后,求解满足系统稳定性条件的LMI获得系统的增益,并运用并行分布补偿(PDC)技术,合成系统的控制器和观测器。仿真结果表明,控制器可以快速地稳定非定常机翼气动弹性系统;观测器的估计值能较好地跟踪系统的真实值,有效地抑制了机翼振动。

关键词：气动弹性系统主动控制结构立方非线性观测器张量积模型变换

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