Open-plus-closed-loop control for chaotic motion of 3D rigid pendulum

An open-plus-closed-loop （OPCL） control problem for the chaotic motion of a 3D rigid pendulum subjected to a constant gravitationM force is studied. The 3D rigid pendulum is assumed to be consist of a rigid body supported by a fixed and frictionless pivot with three rotational degrees. In order to avoid the singular phenomenon of Euler＇s angular velocity equation, the quaternion kinematic equation is used to describe the motion of the 3D rigid pendulum. An OPCL controller for chaotic motion of a 3D rigid pendulum at equilibrium position is designed. This OPCL controller contains two parts： the open-loop part to construct an ideal trajectory and the closed-loop part to stabilize the 3D rigid pendulum. Simulation results show that the controller is effective and efficient.

基于Java3D的网络虚拟实验的开发

Java3D是一种新的三维构建技术,它应用于网络虚拟实验的开发可极大提高实验的仿真效果和交互能力。在大学物理虚拟实验的开发实践中总结了基于Java3D开发虚拟实验的一般流程和常见疑难处理方法,以离心节速器实验为例描述了具体的应用开发过程,提出了开发三维虚拟实验的极具可操作性方案。

基于李群离散变分积分子3D摆姿态动力学研究

主要研究了作为地球静止轨道卫星简化模型的3D刚体摆的离散变分积分子求解方法。基于常微分方程的连续求解方法无法保持总能量的计算值在长时间仿真中守恒,导致计算的失真;而离散方法不存在误差积累的问题,故系统的能量能在长时间仿真中守恒,从而保证系统动力学参数的计算值在长时间的仿真中保持稳定。基于李群的离散变分积分子不需要添加约束条件便可保证系统几何结构的守恒,且有较高的计算效率。仿真结果表明:在李群离散变分积分子算法下,处于地球静止轨道上的3D刚体摆的能量,动量及几何结构的计算值都可保持恒定。

基于Legendre伪谱法的3D刚体摆姿态轨迹跟踪控制

研究3D刚体摆在有初始扰动情况下的姿态运动最优控制问题。结合3D刚体摆转动的姿态与角速度特点,针对外部扰动设计闭环反馈姿态跟踪控制器。首先,利用Legendre伪谱法规划出3D刚体摆开环的姿态运动轨迹。然后,将系统的运动方程线性化,并以3D刚体摆的实际运动姿态轨迹与参考运动姿态轨迹之间的差值作为控制量,将姿态跟踪问题转换为线性时变系统的姿态调节问题。最后,对基于Legendre伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制的闭环控制方法进行仿真分析,验证在具有初始扰动情况下算法的有效性。

基于3D-BASIS-ME摩擦摆隔震系统隔震效果分析

摩擦摆隔震系统(FPS)由于其独特的结构形式,具有限位、自动复位以及通过滑动摩擦消耗地震能量等优点,能有效地减少地震作用对上部结构的影响,隔震效果明显,因此近年来得到广泛的应用。为了更深入地研究摩擦摆隔震系统的隔震效果及其影响因素,基于摩擦摆隔震系统的基本特性与隔震机理,利用隔震计算专用软件3D-BASIS-ME对隔震框架结构在不同地震波作用下的隔震效果进行了分析计算,与文献试验结果进行对比,发现数值结果与试验结果吻合良好,从而验证了3D-BASIS-ME软件计算的准确性与可行性,在此基础上对不同合成刚度的摩擦摆隔震系统的隔震效果进行数值分析,并确定了隔震效果最佳时,隔震系统的刚度范围,其结论可为实际工程的设计提供参考。

基于滑模控制的3D刚体摆姿态稳定性

研究3D刚体摆姿态稳定性的滑模控制问题.3D刚体摆由一个刚体绕一固定且无摩擦的支点旋转,刚体受到恒重力作用且具有三个转动自由度.针对3D刚体摆平衡位置处的姿态稳定控制问题,设计了滑模控制器并分析了角速度和姿态的渐进稳定性.由Lyapunov直接法找出了各个滑模系数取值的充分条件,并通过数值仿真实验验证了滑模控制方法的有效性.

基于分层滑模方法的欠驱动3D刚体摆姿态控制

以3D刚体摆为研究对象,将地球静止轨道(GEO)航天器简化成3D刚体摆,此模型由一刚体绕一个固定且无摩擦的支点旋转且有3个转动自由度,刚体受恒重力(或万有引力)作用。利用滑模结构方法设计了分层滑模控制器,并用Lyapunov稳定性理论、Filippov等效定理与Barbalat引理以及推论,详细证明了该控制律的全局渐近稳定性。仿真实验结果表明,该方法能够有效地实现3D刚体摆悬垂和倒立平衡位置处的姿态渐进稳定性控制。

基于Gauss伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制

研究Gauss伪谱法求解3D刚体摆姿态最优控制问题.针对其最优姿态控制问题,既要满足由任意位置运动到平衡位置姿态运动规划问题,又要满足系统含有动力学约束的力学模型问题,提出基于四元数来描述3D刚体摆的数学模型,建立3D刚体摆姿态的动力学和运动学方程,为了解决3D刚体摆在平衡位置处的姿态最优控制问题,设计基于Gauss伪谱算法的最优姿态开环控制器,得到了3D刚体摆的姿态最优控制轨迹,得到满足的可行解,通过仿真实验验证了其开环解在平衡位置的控制姿态最优性.

基于欧拉四元数的3D刚体摆姿态控制的能量方法

3D刚体摆为一个刚体在重力、扰动和控制力或力矩的作用下绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有三个转动自由度的刚体摆模型.针对3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计问题,给出基于欧拉四元数描述的3D刚体摆的姿态运动方程,证明了系统满足无源性条件,构造了系统的Lyapunov函数,利用能量法设计出3D刚体摆的姿态控制律,并由LaSalle不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性.仿真实验给出了3D刚体摆在悬垂平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性,仿真实验结果表明基于能量方法的3D刚体摆姿态控制是有效的.

3D刚体摆动力学的离散变分数值方法研究

利用离散变分的数值积分方法研究3D刚体摆(3 Dimensional rigid pendulum)的姿态动力学数值计算问题。针对3D刚体摆的运动学及动力学方程解的稳定性及其能量、角动量与范数进行了数值仿真。在离散变分方法中引入李群概念,首先对3D刚体摆模型的简化形式——球摆做数值求解,然后分别对3D刚体摆的悬垂及倒置两种特殊情况进行数值求解,并将其结果与4阶龙格-库塔方法求解的结果进行比较。从数值仿真实验中可以看出,离散变分的数值积分方法相比龙格-库塔方法具有更高的精度。由此可得出李群离散变分方法具有较好的保结构及保能量特性。

3D刚体摆位置伺服系统PID控制研究

3D刚体摆是研究复杂刚体动力学与控制问题的典型位置伺服系统。永磁同步电机驱动执行机构产生控制力矩,使3D刚体摆在运动过程中的姿态误差减小,稳定在指定姿态位置。本文基于Matlab构造了3D刚体摆数学模型,以3D刚体摆实验平台为依托,利用PID策略对永磁同步电机的输出转矩和3D刚体摆的姿态进行控制,得到3D刚体摆姿态控制曲线。实验结果表明,系统的动态性能指标符合要求,PID控制对3D刚体摆复杂系统的控制是有效的。

基于3D刚体摆的模糊控制器的设计与试验研究

基于MATLAB构造3D刚体摆数学模型,以3D刚体摆试验平台为依托,利用模糊控制或模糊控制与P控制策略相结合,对永磁同步电机(PMSM)和3D刚体摆姿态进行控制,并通过LABVIEW软件对模糊控制算法编程设计,上位机实时监测摆控制曲线。试验结果表明模糊控制在实际工程中对3D刚体摆系统的控制具有有效性。

欠驱动3D刚体摆姿态稳定的退步控制

在欠驱动条件下3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计过程中,将其系统状态分为运动学和动力学2个子系统,采用退步控制方法,分别设计控制律。根据李雅普诺夫方法对中间控制律进行设计,并推算出最终控制律,最终使欠驱动3D刚体达到渐近稳定平衡。数值仿真实验结果验证了所设计控制律的可行性。

单腿三维跳跃机器人动力学建模及控制

在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点,课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型,实现了对机器人起跳速度的控制,使可控连续跳跃成为可能;基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律,实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制;集成SLIP模型,RWP模型和课题组提出的落地后转向策略,设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法。仿真结果表明:该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃,从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性。

基于三维线性倒立摆的双足机器人步态规划

双足机器人的步态控制策略是保证双足稳定行走的重要条件之一。提出一种基于三维线性倒立摆模型的双足机器人步态规划的算法。首先简化了三维倒立摆模型,并且假设了步行周期起始状态的ZMP位置,然后通过运动方程推导出含参数的质心与时间的函数,再将机器人的步态规划简化到每个步行周期,通过每个周期的初始条件获得函数的相关参数,最后将此方法推广到带转向的步态规划中,并应用于实际Robocup3D比赛中。实验结果表明该方法具有可行性和有效性。

基于三维线性倒立摆的仿人机器人步态规划

为了实时调整仿人机器人的步态,提出一种仿人机器人的步态生成方法。把机器人运动简化为三维线性倒立摆运动模式,通过预先规划好的零力矩点(ZMP)轨迹,根据质心(CoM)和ZMP的关系,求出CoM轨迹;再将前向步态和侧向步态简化为七连杆结构和五连杆结构,利用三角定理求出各个关节的角度,结合ZMP方程讨论了行走过程中的稳定性。利用给定的条件进行了系统的仿真,并结合实际系统及其运行状况进行分析,验证了所提出规划方法的有效性。

基于线性倒立摆模型的双足机器人步态规划

为解决多关节自由度双足机器人的步态规划问题,提出了一种改进的三维线型倒立摆模型步态规划算法。该方法将双足机器人简化为三维线性倒立摆模型,在得到机器人的质心参考轨迹的同时规划摆动腿的轨迹,通过机器人的运动学逆解即可求出各关节运动序列。在对质心轨迹求解过程中,与传统方法通过双脚支撑阶段调整质心速度实现步态稳定的方法不同,该算法通过求解支撑腿最优交替时刻的方法最大化单脚支撑阶段的范围,实现机器人的高效稳定行走。以NAO机器人为实验对象,对算法进行了仿真实验,实验结果表明,该算法是可行、有效的。

冰区海上单桩风机振动响应与控制

针对冰区海域风机结构冰激锁频振动问题,深入开展其冰激振动响应分析,提出基于三维摆式阻尼器的冰区风机振动控制方法。基于M??tt?nen-Blenkarn自激振动理论,采用APDL开发冰区风机自激振动分析程序;基于叶素动量理论,考虑Prandtl叶尖损失修正和Grauert修正,利用MATLAB编程计算获得风机叶片空气动力载荷;针对NREL 5 MW海上单桩风机结构,考虑我国渤海海域一年一遇冰情,开展不同方向冰-风组合工况下的振动响应分析,给出风机结构发生锁频事件的冰速范围,并对有、无三维摆式阻尼器的风机塔筒响应进行对比分析,结果表明:单桩风机发生锁频事件对应的冰速范围为0.01~0.06 m/s,冰-风同向时,风机发生冰激锁频所对应的冰速范围最大,塔筒结构响应最大;三维摆式阻尼器能够显著抑制冰-风载荷联合作用下的塔筒面外和面内振动响应,从而大大提高其服役的安全性。该研究成果可为冰区服役风机结构的安全运行提供技术支持。

输入地震动维数对FPB隔震曲线桥地震反应的影响

为了研究摩擦摆支座隔震曲线桥梁地震反应的空间耦合效应,分析了输入地震动维数对摩擦摆支座隔震曲线桥梁地震反应的影响。基于空间有限元方法,采用能考虑动轴力影响的多维耦合FPB恢复力模型,以一座2联6跨的预应力混凝土连续箱梁桥为例,输入3条强震记录,分别进行了一维、二维及三维地震动下的非线性时程反应分析及其对比分析。结果表明:输入地震动维数引起的耦合效应对隔震曲线桥梁的地震反应有重要影响;输入地震维数对支座的力-位移滞回曲线形状有较大影响;FPB隔震曲线桥的支座位移大小与输入地震动的维数有关。

勒让德伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题

研究伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题.针对三维刚体摆这类含有约束的力学模型,提出了基于勒让德伪谱法的三维刚体摆姿态最优控制方法.利用插值逼近设计了三维刚体摆姿态运动最优控制算法,得到了三维刚体摆的姿态最优控制轨迹,并结合松弛参数来控制插值点的取值,寻找满足的可行解.仿真结果表明,基于勒让德伪谱法的最优控制算法使得三维刚体摆能以较小的误差运动到期望的末端姿态,且计算速度快,能够获得精度较高的控制输入量.