二维旋转激励平移振荡器滑模控制设计

旋转激励平移振荡器(TORA)由一维平移小车和安装在其上的转子组成,是非线性控制设计的基准系统之一。该文针对小车具有二维平移运动的TORA(2DTORA)系统,设计其滑模控制器。将系统动力学在平衡点附近线性化并转换为能控标准型,设计包含系统所有状态的线性滑模面,采用指数趋近率使系统趋近于滑模面,保证了系统各状态变量达到期望值;并基于极点配置的方法得到滑模面的各项系数。通过对系统在多个平衡点求线性化模型和计算滑模面,得到滑模面的T-S模糊模型,保证了系统在各平衡点都能实现稳定控制。仿真实验验证了控制方法的可行性和有效性。

基于级联型具有旋转激励的平移振荡器系统的滑模控制

针对欠驱动具有旋转激励的平移振荡器(TORA)系统的控制问题,本文首次提出一种全局滑模控制方法,使闭环系统在整个控制过程对外界干扰均具有鲁棒性.相比已有控制方法,本文所提方法结构简单,便于实现;而且放宽了对外界干扰的假设条件,可实现闭环系统的全局滑模控制.具体而言,本文首先将系统模型变换为由两个子系统组成的级联形式;随后,针对内环子系统设计了一种虚拟控制输入,在此基础上构造了一种新颖的滑模面并设计了相应的滑模控制器;最后,通过严格的数学分析证明了闭环系统的稳定性及系统状态的渐近收敛性,利用数值仿真测试检验了本文所提方法的控制性能.通过与已有方法进行仿真对比可知,本文方法在镇定控制与鲁棒性方面均表现出良好的控制性能.

欠驱动TORA振荡轨迹跟踪的模糊控制设计

欠驱动TORA(Translational oscillators with rotating actuator)传统控制目标是实现平衡点的稳定控制。针对系统的周期性振荡轨迹,研究实用的轨迹跟踪控制方案。通过分析TORA系统的动力学,得到平移小车的自然振荡周期,在此基础之上设计一种平移小车周期运动和旋转小球保持定值的动态轨迹。为实现系统动态轨迹的跟踪控制,基于系统状态变量的轨迹跟踪误差设计模糊控制系统;通过设计融合函数合并系统状态变量,将模糊控制器的输入数由4减少到2,再设计模糊控制规则,得到易于实现的模糊控制器。最后,仿真和实验结果验证了所提控制方案的有效性与实用性。

TORA转子位置反馈的稳定控制方法

针对具有单电机驱动的欠驱动TORA(Translational oscillators with rotating actuator),设计只需要转子位置反馈实现系统两自由度稳定的控制算法。基于TORA的动力学模型,从能量的角度出发,证明了系统的无源特性;在此基础上设计了一个包含系统能量项的控制李亚普诺夫函数,通过李亚普诺夫稳定性定理得到只需要反馈系统驱动自由度状态变量的控制器。进一步设计高通滤波器,通过驱动转子位置高质量复现其转动角速度,从而得到只需要驱动转子位置反馈的稳定控制算法。采用拉萨尔不变性原理分析了控制系统的稳定性。数字仿真实验证明了控制算法的有效性。

垂直欠驱动TORA系统的仿真实验

根据垂直欠驱动TORA系统的动力学方程,建立仿真模型。设计了高通滤波器,通过对小球的角度进行高通滤波,来获取小球的伪角速度。通过小球的角度反馈进行TORA系统的PD控制。采用Matlab/Simulink软件设计了TORA系统的仿真实验系统。最后,对仿真的结果进行了分析。该仿真实验能够加深学生对欠驱动系统的理论、仿真和控制等内容的理解,有利于培养学生的实际编程能力,激发他们的学习兴趣。

TORA系统周期性动态轨迹的模糊控制设计

欠驱动(Translational Oscillators with Rotating Actuator,TORA)系统的传统控制目标是实现平衡点的稳定控制,文中针对系统的周期性振荡轨迹给出易于实现的模糊控制设计方法。首先,基于欠驱动TORA系统的动力学分析,考虑振荡平台的振荡频率,设计一种振荡平台周期运动、转动小球匀速转动的周期性目标动态轨迹。其次,基于对状态变量的分析,选择能量误差作为模糊控制系统的输入量以降低模糊控制器的维度,采用单边论域隶属度函数设计模糊控制规则,采用重心法进行解模糊化,得到易于实现的模糊控制器。最后,仿真和实验结果验证了所提控制方案的有效性。

TORA的动力学建模与Backstepping控制

针对旋转小球在垂直平面内运动的欠驱动的具有旋转激励的平移振荡器(TORA),基于拉格朗日方程,建立其动力学模型.结合部分反馈线性化,采用一个闭环坐标变换将系统动力学转换成严格反馈的级联非线性系统,该级联系统由非线性子系统和两个积分器组成.在设计了非线性子系统有界状态反馈算法的基础上,应用积分Backstepping给出了实现系统全局稳定的状态反馈控制器.仿真结果验证了该控制器的有效性.

基于θ-D方法的欠驱动TORA系统非线性最优控制

针对TORA(Translational oscillator with rotating actuator)系统的镇定控制问题,提出一种基于θ-D方法的非线性最优控制方案.应用拉格朗日方程建立TORA系统的数学模型,为保证状态空间形式的TORA系统数学模型中状态向量系数矩阵A(x)能够分离出常值矩阵,且其能与控制位置矩阵构成可控对,采用不同于传统形式的解耦坐标变换对TORA系统进行了处理,以此为基础为TORA系统设计基于θ-D方法的非线性最优控制器,该控制方案可离线得到控制输入的显示表达式.通过数值仿真以及与基于局部线性化的线性最优控制方案进行比较,验证了所提非线性最优控制方案所具有的良好瞬态性能.

欠驱动RTAC的滑模自抗扰镇定控制

针对欠驱动RTAC(rotational/translational actuator)的镇定问题,提出了一种滑模自抗扰控制方法,通过对总扰动的观测和补偿降低了未知扰动对RTAC的影响.为克服RTAC的欠驱动特性,所提方法通过将可驱动的摆球角度和无驱动的小车位置两个状态相结合,构建出虚拟被控量作为系统输出,从而使RTAC的动力学模型转换为非欠驱动模型.基于重建的模型设计线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)和滑模控制器,并采用Lyapunov方法证明RTAC的闭环稳定性,实现了RTAC的镇定控制,有效抑制了小车的振荡.最后,通过数值仿真和硬件实验验证了所提控制方法的有效性,与已有方法的对比分析证明该方法具有良好的控制性能.

基于超螺旋算法的TORA镇定控制设计

针对旋转平移振荡器(TORA)欠驱动系统的镇定控制问题,设计了结合极点配置法与超螺旋算法的滑模控制律。相比于现有的算法,本文所提算法更容易获得控制器的参数,镇定时间以及振荡衰减幅度均更小。具体而言,首先是在系统平衡点将动力学方程简化为线性模型,设计含有系统所有状态变量的滑模面;再通过极点配置的方法,给系统配置数个负半平面的极点以确保闭环系统稳定,同时也可以确定滑模面的各项系数的数值,采用超螺旋算法的滑模趋近率来设计控制律,Lyapunov函数证明了该系统的稳定性。仿真实验验证了控制器的可行性和有效性,测试结果表明本文所提方法在控制性能方面较前人的方法具有更好的效果。