双臂空间机器人关节空间的补偿学习控制

在载体位置与姿态均不受控制情况下,结合动量(矩)守恒关系对系统进行了运动学、动力学的分析,得到了漂浮基双臂空间机器人的系统动力学方程.采用PD控制的计算力矩法,得到了系统的闭环动态误差方程,在此基础上设计了针对不确定性的自由漂浮空间机器人的控制方案,提出了一种基于遗传算法的补偿学习控制方法.将补偿学习控制与计算力矩法相结合,利用遗传算法的进化学习消除不确定因素的影响,实现机器人轨迹跟踪的良好控制.     

基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

刚弹性耦合的高超声速飞行器自适应有限时间控制

针对高超声速飞行器刚性-弹性耦合动力学特性诱发的再入姿态稳定控制难题,提出了一种具有有限时间收敛功能的自适应积分Lyapunov控制方法。建立了刚性-弹性耦合动力学模型,将弹性模态与外部不确定性视为归一化扰动,构造辅助误差补偿子系统。设计自适应律跟踪归一化扰动,可使姿态跟踪误差在有限时间内收敛,同时增强积分Lyapunov控制方法的鲁棒性。此外,为解决传统反步法控制的“微分爆炸”问题,引入一阶线性滤波器,避免了直接求导,得到了平滑且可执行的控制指令。仿真结果表明：所提控制方法在气动参数摄动±20%的条件下,实现速度跟踪误差不大于0.1 m/s,高度跟踪误差不大于0.5 m,可有效抑制弹性模态和外部扰动对姿态控制的不利影响。     

漂浮基柔性空间机器人的鲁棒控制及振动抑制

讨论了漂浮基柔性空间机器人系统的动力学建模、运动控制算法设计以及关节、臂双重柔性振动的分级主动抑制问题. 利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,建立系统动力学方程. 基于奇异摄动法,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统, 表示由柔性臂引起的系统柔性运动部分的快变子系统1和表示由柔性关节引起的系统柔性运动部分的快变子系统2. 针对慢变子系统提出一种鲁棒控制方法来补偿系统参数的不确定性和柔性关节引起的转动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;针对快变子系统1采用线性二次型最优控制器来抑制由柔性臂引起的系统柔性振动;针对快变子系统2设计了基于机械臂和电机转子的转角速度差值的反馈控制器来抑制由柔性关节引起的系统柔性振动. 因此,系统的总控制律为以上3个子系统控制律的综合. 最后通过仿真实验证明了所提出的混合控制方法的有效性.      

基于自适应滑模的重复使用运载器容错控制

针对重复使用运载器(RLV)等类飞行器存在外界干扰和执行机构故障等情况,提出一种基于姿态跟踪容错控制方法。在正常的运行模式下,姿态跟踪控制采用连续四元数反馈控制器。当系统中出现故障时,飞行器姿态将偏离参考轨迹,此时触发控制系统中滑动模态反应,使系统具有鲁棒性。通过选取适当李雅普诺夫函数,证明了所提出的控制律在存在故障的情况下是渐近稳定的。针对由于传感器干扰滑模面非零而导致的增益渐增,以及控制器性能下降问题,设计了一种具有自适应参数的自适应滑模控制律,使增益能够收敛到合理上界。最后,选取重复使用运载器再入段为对象进行仿真验证。仿真结果表明,采用有自适应滑模参数的控制系统,四元数跟踪误差能够达到10~(-4)量级。     

强噪声下全驱空中作业平台自抗扰反演控制

针对新型空中作业机器人飞行平台存在的强噪声、扰动、参数不确定性以及全驱控制问题，提出了一种基于动态补偿的自抗扰反演控制方法。首先描述了新型空中作业机器人机构设计。其次，建立了基于Carig与递归Newton-Euler方程的空中作业系统运动学与动力学模型。然后，考虑机械臂对飞行平台的扰动影响，建立了飞行平台全驱控制补偿项，并结合自抗扰控制与反演控制技术分别设计了平台位置与姿态控制器。最后，考虑了随机强噪声与扰动、参数不确定性等实际问题，进行了仿真试验。仿真结果表明，在强噪声与扰动条件下对飞行平台的位置与姿态跟踪控制中，采用所提出的算法后比动态补偿（DC）PID算法的跟踪误差降低了37.9%以上，验证了所提出的控制方法具有噪、扰抑制能力，提高了系统控制精度。     

基于干扰观测器的柔性关节空间机器人退步自适应控制

研究了载体位置、姿态均不受控的情况下,系统参数不确定的柔性关节空间机器人轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系,利用拉格朗日法推导出系统的动力学模型.为减小系统柔性关节对系统控制精度的影响,采用关节柔性补偿器来等效降低系统关节的柔性.再借助奇异摄动法,针对系统参数不确定的情况,设计了柔性关节空间机器人基于干扰观测器的退步自适应滑模控制方案.该方案不需要对系统惯性参数进行线性化处理,控制器结构简单,且实现了空间机器人期望轨迹的精确跟踪控制.通过平面两杆空间机器人的数值仿真证明了该方法的有效性.     

基于滑模理论的建筑结构分散稳定控制

基于大系统分散控制思想,将大尺度高阶建筑结构系统分解为多个子结构系统;子结构之间的相互耦合作用视为有界广义力,得到以状态方程形式的子结构模型。利用滑模理论的抗摄动条件,设计具有全局稳定的子结构滑动模态轨迹,利用子结构系统局部状态实现全局稳定的控制力条件,并以参数ρi实现各子结构间的调节,建立稳定的分散控制格式。在控制算法中采用了准滑模控制方法,克服变结构滑动模态中的抖振影响。利用本文方法,对20层钢结构基准模型在地震激励下的控制进行设计并数值仿真,验证了该方法的有效性。     

基于反演滑模的机动飞行器横向回路控制设计

针对再入机动飞行器模型的参数不确定性以及外界干扰对飞行器控制性能的影响,基于反演控制和滑模控制理论,结合飞行器的动态特性要求,设计了一种基于标称模型的再入机动飞行器横向回路姿态控制方案,并基于Lyapunov方法,给出了整个系统的稳定性证明。控制系统阶跃响应仿真结果表明:系统响应无超调,调节时间为0.6 s,稳态误差为1%,优于指标要求的超调量15%,调节时间1 s,稳态误差5%,证明所提方法对模型参数大范围摄动具有强鲁棒性,且在较大程度上提高了系统的动态性能,最终达到姿态指令的快速高精度跟踪效果。     

漂浮基空间机器人系统基于增广变量思想的改进变结构滑模控制

讨论载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的控制问题.首先导出了空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程.之后借助于增广变量法,证明可以将上述系统动力学方程及系统增广广义Jacobi矩阵分别表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了一种空间机器人惯性空间期望轨迹跟踪的改进变结构滑模控制方案.与传统变结构滑模控制相比,所提控制方案通过一次离线预估控制律中相关矩阵元素的上下限,从而避免了实时控制过程中重复计算系统动力学方程中科氏力、离心力项的麻烦,因此有效减少了计算量,更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时应用.仿真运算,证实了方法的有效性.     

柔性空间机器人快速终端滑模容错抑振控制

针对基座与臂杆存在柔性且执行机构发生故障的自由漂浮空间机器人系统,设计了快速终端滑模容错抑振控制器。结合线性弹簧假设、欧拉-伯努利梁理论和假设模态法提取了系统的柔性特征,利用拉格朗日方程推导出柔性基、柔性臂空间机器人系统的动力学模型;基于双幂次非奇异快速终端滑模为系统设计了有限时间容错控制器,采用Lyapunov函数法证明了闭环系统的稳定性;在此基础上,引入混合轨迹对容错控制器进行修正,进而构造出基于虚拟控制力的有限时间容错抑振控制器,实现对空间机器人载体姿态与关节轨迹的快速跟踪控制及基座与臂杆柔性振动的有效抑制。仿真结果表明,相较于无容错机制的计算力矩抑振控制算法,所设计算法的轨迹跟踪误差收敛速度提升了68.75%,弹性基座的振幅减小了78%,限定在1.1×10^-4 m之内。     

不确定线性时滞系统模型参考自适应控制研究

以具有不确定参数和时滞的线性时滞系统为对象,开展时滞系统的模型参考自适应控制研究。首先利用时滞控制力项的差分方程对系统的状态变量进行增广,将时滞系统动力学方程变为形式上不含有时滞项的增广状态方程。然后根据时滞系统动力学方程和已确定的参数建立相应参考模型,并采用线性二次调节器(LQR)设计参考模型控制律,以保证闭环参考模型系统稳定。最后基于参考模型的LQR控制律,采用基于类观测器的模型参考自适应控制方法设计相应的自适应控制律。因此,针对原时滞系统动力学方程,本文所设计的时滞控制律由LQR控制律和自适应控制律两部分组成。数值仿真结果表明:本文所使用的基于LQR的自适应控制方法在系统参数和时滞不确定的情况下,能够有效地跟踪稳定的参考模型的动力学行为,从而对系统进行控制。该方法可以作为LQR控制方法的有益补充,进一步改善控制系统的动力学行为。     

漂浮基柔性关节空间机器人自适应滑模运动控制及振动主动抑制

讨论了关节柔性且系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制算法设计及系统柔性振动的主动抑制问题。利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日法对系统动力学进行分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统和表示系统柔性运动部分的快变子系统。针对慢变子系统提出了一种自适应滑模控制算法。该控制算法是由基于滑模面的等效控制项、自适应控制项和PID反馈控制项组成。因此,它集合了滑模控制、自适应算法和PID技术的优点,且弥补了三种算法各自的缺点。该控制算法能够有效地补偿系统的转动误差和不确定参数,提高控制系统的精度。针对快变子系统,提出基于速度差值的反馈控制算法来抑制柔性关节引起的系统柔性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真实验证明了提出的混合控制算法的有效性。     

数字式惯性平台稳定回路的离散变结构控制

为了实际实现具有良好跟踪精度和抗干扰能力的惯性平台稳定回路,建立了平台伺服电机的离散时间模型,设计了由单片机和高速DSP组成的数字控制系统,与惯性平台组成了基于采样数据的平台稳定控制回路,研究了离散变结构控制趋近律的选取方法,采用改进趋近律设计了离散变结构控制律,提出了一种数字式平台稳定回路的离散变结构控制方法,通过实物实验得出了平台伺服电机转轴摩擦力矩模型系数的估计值,并将其引入到控制系统中.仿真实验结果表明,该回路系统对于摩擦力矩和系统参数不确定性具有一定的抗干扰性能,对于阶跃干扰力矩输入具有良好的动态特性,且静态力矩刚度提高到1.2×104 N.m/rad,系统对于斜坡和加速度输入信号实现了平稳跟踪,跟踪误差最大值分别为0.0056 rad和0.0597 rad.     

基于微分包含镇定的固体运载火箭上升段轨迹跟踪

针对传统固体运载火箭（SLV）上升段轨迹跟踪方法无法适应大范围参数不确定性的问题,提出一种基于微分包含镇定的上升段轨迹跟踪控制器。首先,将不确定性与动力学方程相结合,建立关于状态偏差的微分包含系统;其次,设计一种基于线性矩阵不等式（LMI）的状态反馈律,对微分包含系统中的多胞体部分进行镇定,用以解决大范围参数不确定性问题;然后,将攻角和侧滑角的修正量幅值约束转化为线性矩阵不等式进行求解;最后,对微分包含系统中的扰动部分设计自适应律进行估计,结合状态反馈律与控制量约束,构造微分包含自适应饱和跟踪控制器。仿真结果表明,在给定的参数不确定性范围内,终端状态偏差收敛且满足终端精度。与基于扩张状态观测器的跟踪控制器相比,所提出的控制器拓宽了不确定性的适用边界。     

考虑摩擦特性的柔性关节空间机器人自适应CMAC神经网络鲁棒控制

讨论了关节摩擦力矩影响下,具有柔性铰关节的漂浮基空间机器人系统的动力学控制问题.设计了基于高斯基函数的小脑神经网络(CMAC)鲁棒控制器和摩擦力矩补偿器.用奇异摄动理论对系统的动力学模型进行快慢变子系统分解,针对快变子系统,设计力矩微分反馈控制器来抑制机械臂关节柔性引起的振动;对于慢变子系统,设计了基于自适应CMAC神...     

漂浮基双臂空间机器人姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的模糊滑模控制

本文讨论了载体姿态受控、位置不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性系统动力学模型.以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,设计了双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的滑模变结构控制方案.为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.系统数值仿真,证明了上述控制方案良好的控制效果.     

基于扰动观测器的AUV固定时间积分滑模控制方法

针对自主水下航行器（AUV）在参数不确定性和外界干扰下水平轨迹跟踪控制问题，提出一种基于扰动观测器的固定时间积分滑模控制方法。首先将参数不确定性和外界干扰视为复合扰动，设计固定时间扰动观测器对其进行估计。然后在反步法设计框架下，结合固定时间理论和全局积分滑模控制，设计了固定时间积分滑模控制器。轨迹跟踪仿真结果表明，相比于传统滑模控制器，所设计的扰动观测器和控制器可以使位置和姿态的跟踪误差收敛至零域的速度由5.2 s缩短至约2.5 s，并且在没有观测器的帮助下跟踪误差也能收敛至稳定，具有更快的收敛速度和更高的鲁棒性。     

组合导航系统多重衰减因子自适应估计算法比较研究

提出了多重衰减因子自适应估计卡尔曼滤波方法,用该方法对系统每个误差状态估计进行控制,提高滤波器的估计性能。仿真结果表明,新算法在系统噪声特性不准确的情况下,能够抑制卡尔曼滤波估计的发散,GPS/SINS组合导航精度比强跟踪滤波估计的精度高。这种算法推导形式简单,计算量小,适合在线运算。     

中心刚体-柔性梁系统的最优跟踪控制

对考虑阻尼影响的中心刚体-柔性梁系统的动力特性和主动控制进行研究. 研究 中考虑了3种动力学模型：一次近似耦合模型、一次近似简化模型和线性化模型. 一次近 似模型中同时考虑了柔性梁的轴向变形和横向变形. 若在一次近似耦合模型中忽略轴向变 形的影响，则可得出一次近似简化模型. 线性化模型是对一次近似简化模型的线性化处理. 另外研究中考虑了3种阻尼因素：结构阻尼、风阻、中心刚体轴承处的阻尼. 控制设计采 用最优跟踪控制方法. 给出了从物理测量中提取模态坐标的滤波器方法. 研究结果显 示，一次近似简化模型能够有效地对系统的动力学行为进行描述；阻尼对系统的动力学特 性有着重要影响；当系统大范围运动为低速时，模态滤波器能够较好地提取出控制律所需 的模态坐标，最优跟踪控制方法能够使得系统跟踪所期望的运动轨迹，并且柔性梁的弹性 振动可得到抑制.