基于Matlab/Simulink的TORA系统仿真实验

将典型的两自由度欠驱动机械系统"旋转激励的平移振荡器"(TORA)作为一个基准系统进行了仿真实验的开发。介绍了TORA系统的特点和动力学方程,采用Matlab/Simulink建立TORA系统的仿真实验平台,采用PD控制器进行控制,通过改变系统的参数分析各参数对系统的影响。该仿真模型能够加深学生对TORA系统的理解,有助于欠驱动系统的理论教学和实验教学。

基于能量的水平TORA系统的控制

针对具有旋转激励的平移振荡器(TORA)的控制问题,首先对水平TORA系统和垂直TORA系统的动力学方程和平衡位置等进行了比较分析,然后对水平TORA系统的特点、能量和无源性等进行研究,并根据系统的无源性,通过李亚普诺夫函数,采用基于能量的方法设计了水平TORA系统的控制器。最后,将控制器用于典型的水平TORA系统的控制,并将系统稳定在两个不同的平衡位置(小球的角度分别为0和π/6),通过数值仿真证明了该控制器的有效性。

基于输出反馈的欠驱动TORA系统的有界输入控制

针对欠驱动TORA(Translational oscillations with a rotational actuator)系统,设计了一种具有执行器饱和约束的输出反馈等[7]特别地,由Rand学者提出的TORA系统,最初控制器.与其他现有方法相比,本文方法不仅考虑了执行器饱和约束和作为双自旋航天器的简化模型用于研究自振现象.后来由于速度信号不可测情形,而且考虑了旋转小球可能存在的循环行为.具体而TORA系统具有强耦合、高度非线性、欠驱动等特性,而被言,首先根据TORA系统模型分析了TORA系统的控制目标;随后,作为一种非线性基准系统主要用于非线性控制器设计、验证构造了一种新颖的能量函数,在此基础上设计了一种考虑执行器饱和约非线性控制算法的控制性能或教学研究.目前国内外已有多束的输出反馈控制器,并通过严格的数学分析证明了闭环系统关于平衡点的稳定性;最后,借助数值仿真测试检验了所提控制器的控制性能,并所高校和研究机构针对TORA系统的控制问题展开研究.对与已有方法进行了对比.仿真测试结果表明本文所提方法具有更好的控法制性能.

欠驱动TORA系统的自耦PID控制策略

针对欠驱动旋转激励平移振荡器(translational oscillations with a rotational actuator, TORA)系统的控制问题,使用一种自耦PID (self-coupling proportional-integral-differential, SCPID)控制方法.该方法首先利用坐标变换使TORA系统的质心映射为Huygens振动中心,以实现新系统控制输入解耦,避免零动态不稳定问题;然后对Huygens振动中心设计平移位置的SCPID控制器,同时获得小球偏转角度的虚拟指令,进而设计小球偏转角度的SCPID控制器,从而实现TORA系统的平衡点跟踪控制;最后在复频域对闭环控制系统的稳定性进行严格的数学分析和证明.仿真及与其他方法的结果对比表明,所设计的控制算法简单高效,在欠驱动控制系统领域具有实际的应用价值.

增强耦合的TORA系统镇定控制方法设计

针对欠驱动TORA系统,设计一种镇定控制器和增强型耦合控制器.根据TORA系统的动力学模型,分析旋转小球与平移振荡器之间的耦合关系和系统的无源特性.构造一个新型的Lyapunov函数,并得到一种耦合镇定控制器.采用Lyapunov方法和LaSalle不变性原理证明了闭环系统的稳定性.最后,通过改进所设计的控制器得到一种增强型耦合控制器.仿真结果验证了所提出控制器的有效性和优越性.

欠驱动基准系统的约束控制

针对一种欠驱动基准系统,具有旋转激励的平移振荡器(translation oscillators with rotating actuator,TORA)系统,本文首次提出了一种具有约束的控制方法.该方法不仅可以保证闭环系统的稳定性,而且能够保证旋转小球在预设的范围内转动.相比已有控制方法,本文所提方法可以预设小球的转动范围以避免不理想的"循环"行为.具体而言,首先对系统的总机械能进行了详细分析;随后在其总机械能的基础上通过能量整形构造出一个新颖的能量函数;最后基于所构造的能量函数提出了一种具有约束的控制器,采用Lyapunov方法及La Salle不变性原理证明了相应闭环系统的稳定性.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约束控制方面均表现出良好的控制性能.