基于线性二次型最优控制的机器人示教数据处理系统设计

针对机器人拖动示教过程中传感器采集的数据含有噪声的问题,提出了一种基于线性二次型最优控制的运动轨迹控制器。首先,针对机器人关节运动特性建立状态空间模型,并设计相应的性能指标;然后,采用线性二次型最优控制设计最优控制律和相应的控制系统;最后,以Franka Emika机器人为示教对象进行实验,将机器人自身传感器采集的数据作为最优控制系统的输入,将系统输出用于机器人的运动控制,完成机器人拖动示教。实验结果表明,线性二次型最优控制方法能有效抑制传感器采集数据的噪声,较好地将关节速度、加速度和急动度的幅值控制在合理范围内,使处理后的数据能更好地应用于机器人的拖动示教。

基于MATLAB的线性二次型最优控制器设计

给出了完整的线性二次型最优控制器的设计过程 ,简述了线性二次型最优控制器的基本原理、控制器的设计方法 ,并对控制器作用下的闭环系统的稳定性和响应进行了分析 ,设计所得到的控制器控制效果比较好 ,对参数摄动也不敏感 ,达到了设计的目的。

二自由度扭转系统的线性二次型最优控制

以加拿大Quanser公司提供的二自由度扭转系统为控制对象，首先基于拉格朗日方程对整个系统进行数学建模，然后应用线性二次型最优控制策略（LQR）设计了系统的控制器，并在Matlab／Siumlink／WinCon环境下进行了系统仿真和实际控制。实验表明，LQR控制策略能够良好地应用于二自由度扭转系统，并有较好的控制效果。

基于线性二次型最优调节器的虚拟同步发电机控制策略

针对虚拟同步发电机控制下,功率调度指令突变时引起的系统频率波动以及频率偏移量较大的问题,提出了一种基于线性二次型最优调节器的VSG控制策略;通过分析输出频率动态响应特性,建立以角频率偏移量和功角偏移量为状态向量,输入有功功率偏差为控制向量的状态方程,求解系统最优控制规律,进行线性二次型最优调节器的设计;在Matlab/Simulink中搭建模型仿真,仿真结果表明:在负载扰动或有功阶跃工况下,基于线性二次型最优调节器的VSG控制策略,能够有效减小频率超调和暂态响应时间,改善频率动态响应特性;离网模式下系统暂态稳定性良好,即经过大幅扰动后频率可恢复至额定值,提高系统的运行稳定性。

月球软着陆的二次型最优制导方法

为实现在月球表面指定区域的精确软着陆,研究了月球软着陆的线性二次型最优制导方法。利用简化的轨道动力学模型,给出了一种基于状态和能耗最优的软着陆二次型制导方法。由于制导律要求同时提供3个方向的时变推力,所以需要通过变推力发动机和姿态机动来实现。该制导方法虽能满足精确软着陆的需要,但对姿态变化的要求超出了着陆器姿态机动能力。因此,本文修正了二次型最优制导方法,取消了对轨道参数的过程约束,仅对其终端进行约束,通过求解着陆指定目标点的能耗最优两点边值问题,得到了发动机推力大小和方向的显式表达式。研究结果表明,利用一定的姿态机动能力,修正的制导方法能够满足精确软着陆的需要。

车辆主动悬架二次型最优控制器权矩阵参数优化

在使用线性二次型调节器(LQR)的车辆主动悬架控制器中加权矩阵Q和R的取值经常依靠先验知识选取。粒子群算法具有良好的快速寻优能力,可以对权矩阵参数进行优化。针对目前算法存在的缺点通过在更新过程中动态调整惯性权重以更好地平衡全局和局部搜索能力,同时在迭代后期加入禁忌搜索避免陷入局部最优解。在MATLAB中建立1/4二自由度主动悬架仿真模型,对振动控制性能仿真分析结果表明,采用改进粒子群优化LQR与传统LQR方法相比能够很大程度上减少路面变化对车身的冲击,乘坐舒适性和可操纵性得到明显提升。

基于T-S模型的最优模糊多模型切换控制

针对传统控制方法鲁棒性不强以及配置极点复杂的问题,本文中提出了一种基于T-S模型的最优模糊多模型切换控制方法,将T-S模型、线性二次型最优控制器设计以及多模型切换控制三者结合起来。该方法首先对每个T-S模糊模型的线性子系统设计LQR控制器,再把每个控制器乘以其权重求和得到全局LQR控制器,满足线性二次型性能指标最小的条件下,获得状态反馈矩阵,即提高了系统的鲁棒性,且避免了配置极点的复杂工作。在模糊规则数相同的情况下,多模型切换由于模糊论域的变小而提高了线性逼近精度,实现对整体非线性系统的逼近与控制。仿真实验结果验证了这种方法的有效性。

基于多指标非线性控制的单级倒立摆控制

针对单级倒立摆的稳定性问题,建立了单级倒立摆系统的四阶非线性数学模型,运用多指标非线性控制方法,设计了一个多指标的非线性控制器,并借助于系统特征根配置的方法,整定了该控制器中的c、k参数,实现了小车的水平位置和摆杆角度的稳定控制.最后,同时对线性最优二次型调节器和多指标非线性控制进行仿真对比,仿真表明:与线性最优二次型调节器相比,多指标非线性控制方法在控制效果上更为令人满意.

侧向风干扰下的汽车主动前轮转向最优控制

侧向风对汽车行驶操纵稳定性有重要影响.通过分析侧向风干扰下车辆稳定性,提出基于主动前轮转向(active front wheel steering,AFS)的控制策略.AFS控制器采用线性二次型最优控制算法,以实现横摆角速度和质心侧偏角目标值跟踪.为了评价控制算法,基于MATLAB/Simulink和CarSim协同仿真环境建立整车动力学模型、单点预瞄驾驶员模型、控制器模型、道路和侧向风模型.仿真结果表明,AFS可有效提高车辆在侧向风干扰下的操纵稳定性,且控制算法对车速和路面附着系数具有良好的鲁棒性.

倾转旋翼机过渡段最优飞行控制系统设计

针对倾转旋翼机既存在拉力矢量控制又存在空气舵控制的复杂操作特性,在完成倾转旋翼机数学建模的基础上,采用线性二次型最优调节器方法对其过渡段飞行控制系统进行了设计。仿真验证表明,所设计的飞行控制系统能够满足要求,说明了该设计方案的可行性。

高压直流输电系统中换流器的非线性控制及仿真研究

关于高压直流输电系统中换流器整流侧定功率、逆变侧定关断越前角的控制问题,针对三阶非仿射非线性的系统模型,基于偏差线性化控制方法,设计了线性二次型最优控制器;基于多变量非线性控制的逆系统方法,设计了非线性反馈线性化控制器。利用Matlab/Simulink进行仿真实验,对系统存在状态初值扰动情况时,比较两种控制策略下系统的动态性能。仿真结果证明了非线性控制策略的优越性,表明了文中所提方法的可靠性和有效性。

具有极点约束的高超声速飞行器非脆弱最优H_2/LQR控制

针对吸气式高超声速飞行器,提出了一种具有极点约束的非脆弱最优H2/LQR(线性二次型调节器)控制方法.根据吸气式高超声速飞行器的非线性纵向运动方程,推出了一种新的飞行器线性不确定模型,为吸气式高超声速飞行器设计了一种多目标非脆弱控制器.在控制器的设计中,不但考虑了系统的极点配置、最优H2性能和鲁棒保性能3种指标,而且兼顾了因飞行条件不确定性和建模误差引起的控制器增益的变化,利用线性矩阵不等式方法推导了多目标非脆弱控制器的存在条件.仿真实例说明了非脆弱控制器在高超声速飞行器控制中的优越性和有效性.

路面激励下车辆速度最优控制

对发动机-耗能装置动力学模型进行分析,给出了完整的线性二次型最优控制器的设计过程。介绍了线性二次型最优控制器的基本原理和控制器的设计方法,设计了自动调节车辆速度的线性二次型最优控制器,并对控制器作用下的闭环系统的响应进行了分析。结果表明,设计所得到的控制器控制效果良好,达到了设计目的。

基于倒立摆系统的最优控制理论研究

通过状态空间表达式的推导,从数学模型中倒立摆系统的建立,来研究探讨其系统的能观性、稳定性和能控性,并利用线性二次型最优调节器(LQR)对倒立摆系统进行控制。MATLAB仿真结构表明,使用LQR控制方法对系统进行控制,能满足系统稳定性、鲁棒性要求。

LQR控制策略在旋转机架模型中的应用

以加拿大Quanser公司生产的2自由度起重机机架模型———旋转机架系统为研究对象,首先基于拉格朗日方程建立了系统的数学模型,然后对模型进行了线性化处理得到了其状态空间表达式,在此基础之上设计出了线性二次型最优控制器(LQR)。借助Matlab/Simulink和Wincon控制平台,进行了仿真与实时控制实验。结果表明,LQR控制策略具有良好的效果。

LQR最优控制方法在三相逆变器中的应用

为了改善三相逆变器输出的谐波性能,提高系统的稳态性能和鲁棒性,在传统准比例谐振(PR)控制器的基础上,提出了基于线性二次型(LQR)最优控制的三相逆变器控制方法。首先建立了三相逆变器数学模型,然后基于LQR最优控制算法,对状态反馈和输入前馈进行了参数优化设计,提高了三相逆变器带多样化负载的能力。仿真及实验结果表明:三相逆变器采用LQR最优控制方法比采用传统的准PR控制方法能够更好地适应负载变化带来的不良影响,使系统具有良好的谐波性能,动、静态性能和鲁棒性。

基于LQR的无人直升机姿态控制器设计

无人直升机控制系统是一个易受环境干扰的、各通道相互耦合的非线性系统.为了实现无人直升机能在不同环境下自主飞行,需要设计抗干扰能力强的控制器;采用系统辨识的方法得到直升机横向通道和纵向通道姿态环路的线性系统模型;根据线性最优二次型理论,对直升机横向通道和纵向通道的姿态环路设计了LQR最优控制器,使用MATLAB仿真选取最优控制器参数后,在ALIGN 700N直升机上进行了实际飞行试验,仿真和飞行试验表明,采用LQR控制技术设计的无人直升机姿态控制器具有较强的鲁棒性和实用性.

面向人机协同共驾的驾驶行为短时预测方法研究

通过实时感知交通场景下的汽车相对运动状态和行车安全信息,对驾驶人的操纵行为进行短时预测,进而为人机协同驾驶中主权切换的模式与方法提供依据。基于线性最优二次型方法建立了典型驾驶意图下的驾驶操纵序贯链优化目标函数,通过求解目标函数得到驾驶人操纵行为对车辆运动状态的改变量,并结合运动学CA模型提出了驾驶操纵行为短时预测模型。运用统计检验分析实车试验和所提出的模型得到的仿真试验驾驶输入之间的差异程度。实车实验的统计检验结果表明,不同驾驶工况下的驾驶输入差值的配对样本T检验的T统计量分别为1.96, 0.1, 1.36,均小于其T临界检验值。所提出的模型能较好的模拟实际驾驶操纵行为特征,并能对驾驶人操纵行为进行准确的短时预测。

防空导弹直接力／气动力复合控制系统设计

直接力和气动力复合控制技术是先进防空导弹对付高速机动目标、兼有反导能力以及发展成为动能拦截弹最现实有效的技术途径。针对力矩式复合控制方法,为减小由于弹体滚动所引起的耦合影响,建立了俯仰-偏航通道短周期运动模型;在弹体慢旋条件下给出了参考信号状态空间模型,利用线性二次型最优跟踪控制方法设计了复合控制姿态稳定系统,并基于分离原理设计了参考信号状态观测器。仿真结果表明系统对制导指令的响应时间小于0.1秒,对螺旋机动弹道目标的拦截脱靶量为0.34米,说明该复合控制方法具备直接碰撞目标的能力。

轮毂液压混合动力商用车主动防侧翻控制

针对轮毂液压混合动力重型商用车功能特点,提出了基于前轮轮毂液压泵/马达差动制动的主动防侧翻控制算法。首先,建立重型车辆线性二自由度模型,根据线性二次型最优控制原理设计主动防侧翻控制器,并决策最优横摆力矩;其次,结合轮毂液压混合动力系统特点,利用安装于车辆前轮的二次元件液压泵/马达再生制动实现前轮主动制动,并设计液压泵/马达再生制动转矩前馈+反馈控制器;最后,利用TruckSim与AMESim仿真软件分别建立整车模型以及液压系统模型,并基于MATLAB/Simulink建立主动防侧翻控制算法,通过MATLAB/Simulink、Trucksim和AMESim三软件搭建联合仿真平台,选取阶跃转向和鱼钩转向两种典型转向工况进行仿真验证。结果表明,所提出的主动防侧翻控制算法能够有效提高车辆侧倾稳定性,且利用前轮轮毂液压泵/马达实现主动制动时可以有效回收部分制动能量,提高车辆经济性。