智能汽车轨迹跟踪多目标显式模型预测控制

针对现有智能汽车轨迹跟踪控制算法难以同时保证跟踪精确性、横向稳定性、舒适性以及控制实时性的问题,提出了一种基于多目标优化和显式模型预测控制理论的轨迹跟踪控制策略(MO-EMPC)。首先,建立考虑跟踪精确性、横向稳定性、舒适性的多目标函数及约束。然后,针对传统MPC控制实时性低的问题,设计基于EMPC的多目标优化轨迹跟踪控制器,通过引入多参数二次规划(MPQP)理论,将反复在线优化求解过程转化为等价的分段仿射系统(PPWA),离线计算得到最优显式控制律以供实时控制调用,减少在线运算时间。最后,基于CarSim/Simlink联合仿真方法,将所设计控制器的轨迹跟踪多目标优化效果与MPC控制效果进行对比验证。研究结果表明,所提出的轨迹跟踪策略在保证良好的跟踪精度前提下,横向稳定性、舒适性方面的表现更优于MPC控制器,且算法在线运行速度提高56.63%。

质子交换膜燃料电池性能优化控制

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的热管理,是影响PEMFC安全、稳定、高效运行的核心关键因素。该文在分析PEMFC热管理子系统的结构,以及关键组成部件(包括空气压缩机、冷却液循环泵和冷却风扇)的工作原理基础上,首先搭建耦合热管理子系统的PEMFC非线性仿真模型,进一步将其简化处理得到用于控制的线性模型;在此基础上,设计基于卡尔曼滤波的状态观测器,以实现对状态和不可测量扰动的估计,从而消除模型稳态误差;随后设计目标计算器,以净输出功率跟踪误差最小化和系统效率最大化为目标,对PEMFC系统工作状态进行优化;进而基于线性控制模型,设计无偏显式模型预测控制(offset-free explicit model predictive control,offset-free EMPC),对优化工作状态进行跟踪控制;最后,搭建一个软件在环(softwareintheloop,Si L)测试平台,通过与传统MPC控制策略的仿真结果对比可得,无偏EMPC控制策略可以显著将净输出功率的平均跟踪误差绝对值从344.29W减小到82.19W,系统效率从40.32%提升到46.56%,算法平均单步计算耗时从26ms降低到11.8ms,并且可以约束PEMFC系统运行在稳定和安全的工况。

三轴电磁-压电混合驱动快速刀具伺服的轨迹跟踪控制

三轴快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)具有更高的刀具空间运动柔性,逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响,研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振,以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合;针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性,提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性,并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型,实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明:所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振,前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明:平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器,对宽频谐波(10~100 Hz)的跟踪结果表明:采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%,进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试,证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。

复合式直升机过渡段横航向姿态解耦控制

双螺旋桨推进复合式直升机具有可变飞行模式,过渡段是实现不同飞行模式转换的必经阶段,且两侧螺旋桨的不对称效果加剧横航向耦合,为保证复合式直升机过渡段的飞行安全,设计横航向姿态解耦控制系统。针对复合式直升机过渡飞行阶段存在的控制方式转换与横航向通道间操纵耦合问题,制定了以操纵功效为约束的控制方式线性过渡策略,基于显模型跟踪解耦控制理论设计了控制阵解耦的姿态控制器,构建了横航向姿态解耦控制系统仿真模型。仿真结果表明:该控制系统可以有效保证复合式直升机控制方式平稳转换,并实现横航向通道解耦控制。

直升机显模型跟踪解耦控制设计

采用显模型跟踪控制方法,设计了直升机飞行控制律,并进行了仿真验证。仿真结果表明,采用显模型跟踪控制后,直升机飞行控制解耦效果良好,跟踪性能好,具有良好的鲁棒性。

基于三自由度内模解耦控制的VSC-MTDC性能分析

为了解决一般解耦控制器参数整定比较复杂、解耦效果不理想的问题,探讨了用于VSC-MTDC系统的多自由度内模解耦控制方法。一自由度和三自由度内模控制可以实现有功、无功功率的解耦控制,但一自由度内模解耦控制只用一个内模控制器调节系统的跟随性、鲁棒性和抗干扰性,使系统的解耦效果和动态性能受到限制。针对其不足,文中提出一种用于柔性直流输电系统的三自由度内模解耦控制方法,其反馈控制器用于调节系统的鲁棒性、前馈控制器用于调节系统的抗干扰性、给定的内模控制器用于调节系统的跟随性能。在PSCAD/EMTDC中搭建了一个三端的直流输电系统,进行仿真验证。结果表明,三自由度较一自由度内模解耦控制具有更好的跟随性、鲁棒性和抗干扰性。

应用于VSC-HVDC解耦和谐波抑制的控制策略

常规内模控制下的柔性直流输电(VSC-HVDC)系统存在有功、无功功率解耦效果不理想,动态性能有待提高等问题,文章在原有内模控制基础上添加前馈控制器,构成一种二自由度内模对系统进行解耦控制。针对VSC-HVDC交流系统5、7、11、13次谐波含量比较高,本文采用二自由度内模控制与改进重复控制相结合的控制方式对系统谐波进行补偿和抑制。为验证该方法的正确性和有效性,在PSCAD/EMTDC中的一个两端VSCHVDC系统模型进行仿真分析,结果表明该控制策略可以改善系统的跟随性能,实现对有功和无功功率较好的解耦,较大程度地抑制低次谐波,提高VSC-HVDC系统的电能质量。

控制阵解耦的直升机显模型跟踪飞控系统设计

以某型武装直升机为例,在电传控制方式下,从工程易实现的角度出发,仅通过对控制阵B解耦,设计直升机显模型跟踪飞控系统.重点阐述了解耦矩阵Bd的设计,主要讨论当B不为方阵时,如何从广义逆矩阵的角度设计解耦矩阵,同时还需解决内回路多变量输入输出维数不一致的问题.通过定量分析评估所设计的模型跟踪系统的性能.完成内回路设计后,采用单输入单输出经典控制方法设计外回路.仿真结果验证了内外回路单独独立设计的可行性.

全向自动导引车导向机构设计及其运动控制研究

针对麦克纳姆轮加工复杂,运动效率低,承载能力较弱及容易出现振动、打滑等问题,研发了基于轮毂电机的自动导引车(automatic guided vehicle,AGV)全转向导向机构,并根据该导向机构的控制方式——四轮独立驱动和四轮独立转向(4WID-4WIS)的方式,对该全向AGV进行了运动控制研究。首先,构建了该全转向导向机构的运动学模型,并进行了运动学分析,得出不同转向模式下全向AGV转速与转角之间的关系。其次,为消除该全向AGV移动时产生的路径偏差,提出了基于多步预测最优控制和模糊控制的联合路径跟踪控制技术,以提高控制精度和为路径跟踪提供充足的纠偏能力;进行了转向电机和轮毂电机之间的解耦控制,保证了转向电机和轮毂电机具有良好的输入输出响应。最后,通过实车实验验证了该全转向导向机构具有良好的运动效果,能够满足实际工况的要求,可为AGV在工业领域的应用提供一定的参考。

基于显式模型预测控制的无人船航迹控制方法

针对模型预测控制在线计算量大,难以满足无人船实际航行中的实时性要求的问题,提出一种基于显式模型预测控制的航迹控制方法。首先利用视线制导算法(LOS),根据无人船当前位置和期望航迹信息,设计无人船艏摇角的参考值,将无人船航迹控制简化为艏向控制。其次,将显式模型预测控制算法应用于无人船艏向控制问题中,该算法既保持了模型预测控制方法的优势,又提高了计算速度。最后通过仿真试验验证了所提出的方法可以显著提高无人船航迹控制的实时性。

鸭式布局无人机直接升力控制系统设计

传统固定翼无人机纵向控制系统的耦合度较高,这是由于升力的改变必须通过机体姿态变化得到。本文根据某鸭式布局无人机模型设计了经典直接升力控制律,实现了飞机飞行轨迹和姿态之间的稳态解耦,提高了高度控制通道的动态响应,并且采用副翼同时同向偏转的方式提供了更大的直接升力,获得更快的纵向系统响应。提出了采用显模型跟踪解耦系统设计无人机直接升力控制系统方案,实现纵向位置控制和姿态控制动态解耦,仿真结果表明,本文设计的显模型跟踪解耦系统解耦性能较高,并且对于气动参数摄动具有较强的鲁棒性,位置控制和姿态控制的动态性能良好。

智能车辆横向轨迹跟踪的显式模型预测控制方法

为保证智能车辆跟踪控制的精确性、行驶稳定性和在线实时性,设计了一种显式模型预测跟踪控制方法。建立了预测时域内的跟踪精准性和行驶稳定性指标函数及约束,将跟踪控制问题转化为动态干扰下的主动转向最优化问题;为提高实时性,将传统模型预测控制系统转化为与之等价的显式多面体分段仿射系统,运用参数分区上的显式控制律求得最优转角控制量。Carsim和Simulink联合仿真结果表明,该控制方法下,位置误差均值为0.1956 m,航向角误差均值为0.276°,同时最大横向载荷转移改善5.92%,最大轮胎利用附着系数改善9.81%,且平均单步运行速度提升53.97%。

基于时空解耦的无人艇编队路径跟踪控制

针对不同的路径建立编队队形模型.利用时空解耦策略将编队路径跟踪控制问题分解为两个子问题:空间上的路径跟踪和时间上的编队协同.通过计算跟随艇在预定路径上的预期点和无人艇当前位置偏差,设计路径跟踪控制器,保证在空间上运动收敛到各自的期望路径;通过跟随艇与领航艇的速度偏差和首向偏差设计速度协调控制器,使得多无人艇在设定路径上以相同设定速度航行,不影响空间域上的路径跟踪性能.仿真实验中,在多路径点过渡过程考虑编队队形中相对首向和速度的变化,使过渡过程更加平滑.其结果验证了所提出方法的有效性.

MIMO系统同时镇定渐进跟踪与静态解耦性能设计

在以往结果基础上，利用内模原理，解决了ＭＩＭＯ系统同时镇定渐进跟踪向量值阶跃参 考信号及其静态解耦问题。

无偏显式模型预测控制及其在质子交换膜燃料电池净输出功率跟踪中的应用

考虑质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的净输出功率最优化跟踪问题,提出一种基于显式模型预测控制(Explicit model predictive control,EMPC)的无偏优化控制策略,以实现PEMFC系统在面对模型失配和约束条件的影响下,对期望净输出功率的鲁棒稳态无偏差跟踪,以及将系统工作点调节在最(次)优工作曲线附近,达到效率最优化。首先,对PEMFC系统的非线性特性进行线性化,推导出面向控制器设计的线性控制模型。在此基础上,通过设计状态观测器,实现对状态变量和模型失配度的估计;通过设计目标计算器,实现对最(次)优净输出功率的跟踪和空气压缩机工作边界的约束;通过设计EMPC控制器,对空气压缩机工作边界约束进行松弛,以获得可行的显式解,从而构成无偏EMPC控制策略。最后,搭建硬件在环测试(Hardwareinloop,HiL)平台,基于标准的车用燃料电池堆试验循环工况,通过与传统MPC和EMPC的仿真试验对比,验证所提出的无偏EMPC控制策略可将系统整体工作效率从41%提高到47.6%,输出功率的平均跟踪误差绝对值从0.26 kW降低到0.17 kW,单步平均计算耗时从22.2 ms缩短到2.1 ms。

AUV模型解耦水平运动多控制器联合控制

为了解决自治水下机器人(AUV)的水平面轨迹跟踪控制问题,提出一种基于解耦模型的多控制器联合控制方法.建立AUV水平面三自由度运动模型并进行模型解耦,将每个自由度都只保留主变量,模型中的交叉耦合项和模型不确定性都当做外干扰项来考虑;对解耦后的AUV运动模型进行轨迹跟踪控制器的设计,针对AUV各个自由度的特点,为轴向和侧向运动设计自适应反演滑模控制器,为艏向运动设计带有干扰观测器的自适应终端滑模控制器;通过公式推导,利用李雅普诺夫理论证明了系统稳定性和误差的收敛性.仿真实验证明:所设计的轨迹跟踪控制器具有较强的鲁棒性能,系统能够实现对平面轨迹的精确跟踪且能够在规定的有效时间内实现对艏向角的精确跟踪.