THE ROBUST CONTROL SCHEME FOR FREE-FLOATING SPACE MANIPULATOR TO TRACK THE DESIRED TRAJECTORY IN JOINTSPACE

The control of a free-floating space manipulator system isdiscussed. With the augmentation approach, the nonlinearparameterization problem of the dynamic equations of the spacemanipulator system is overcome. Based on the results, the robustcontrol scheme for free-floating space manipulator with uncer- tainpayload parameters to track the desired trajectory in jointspace isproposed, and the global convergence of the tracking is verified byusing the Lyapunov method.

On a novel non-smooth output feedback controller for the attitude control of a small float satellite antenna

A novel non-smooth controller of the second order double integrator system with a bounded disturbance is proposed,which stability is proved and which disturbance rejection capability is analyzed by MATLAB simulation experiments. The novel non-smooth output feedback controller and tracking differentiator are applied to control the azimuth servo systemof the small floating satellite antenna. The MATLAB simulation and hardware in the loop simulation experiments are conducted. The experiment results validate that the non-smooth output feedback controller with stronger surge and sudden disturbance rejection capability can realize the stable azimuth servo control of the small floating antenna to ensure the communication between the target satellite and the antenna with high quality.

Controlled decoherence of floating flux qubits

In Born-Markov approximation, this paper calculates the energy relaxation time T1 and the decoherence time T2 of a floating flux qubit by solving the set of Bloeh-Redfield equations. It shows that there are two main factors influencing the floating flux qubits： coupling capacitor in the circuit and the environment resistor. It also discusses how to improve the quantum coherence time of a qubit. Through shunt connecting/ series connecting inductive elements, an inductive environment resistor is obtained and further the reactance component of the environment resistor is improved, which is beneficial to the enhancement of decoherence time of floating flux qubits.

Impact dynamics analysis of free-floating space manipulator capturing satellite on orbit and robust adaptive compound control algorithm design for suppressing motion

The impact dynamics, impact effect, and post-impact unstable motion sup- pression of free-floating space manipulator capturing a satellite on orbit are analyzed. Firstly, the dynamics equation of free-floating space manipulator is derived using the sec- ond Lagrangian equation. Combining the momentum conservation principle, the impact dynamics and effect between the space manipulator end-effector and satellite of the cap- ture process are analyzed with the momentum impulse method. Focusing on the unstable motion of space manipulator due to the above impact effect, a robust adaptive compound control algorithm is designed to suppress the above unstable motion. There is no need to control the free-floating base position to save the jet fuel. Finally, the simulation is proposed to show the impact effect and verify the validity of the control algorithm.

Canonic Realizations of Voltage-Controlled Floating Inductors Using CFOAs and Analog Multipliers

New voltage-controlled floating inductors employing CFOAs and an analog multiplier have been presented which have the attractive features of using a canonic number of passive components (only two resistors and a capacitor) and not requiring any component-matching conditions and design constraints for the intended type of inductance realization. The workability and applications of the new circuits have been demonstrated by SPICE simulation and hardware experimental results based upon AD844-type CFOAs and AD633-type/MPY534 type analog multipliers.

Singular perturbation composite control of a free-floating flexible dual-arm space robot

The Free-floating Flexible Dual-arm Space Robot is a highly nonlinear and coupled dynamics system. In this paper, the dynamic model is derived of a Free-floating Flexible Dual-arm Space Robot holding a rigid payload. Furthermore, according to the singular perturbation method, the system is separated into a slow subsystem representing rigid body motion of the robot and a fast subsystem representing the flexible link dynamics. For the slow subsystem, based on the second method of Lyapunov, using simple quantitative bounds on the model uncertainties, a robust tracking controller design is used during the trajectory tracking phase. The optimal control method is designed in the fast subsystem to guarantee the exponential stability. With the combination of the two above, the system can track the expected trajectory accurately, even though with uncertainty in model parameters, and its flexible vibration gets suppressed, too. Finally, some simulation tests have been conducted to verify the effectiveness of the proposed methods.

A Large Dynamic Range Floating Memristor Emulator With Equal Port Current Restriction

In this paper, a large dynamic range floating memristor emulator(LDRFME) with equal port current restriction is proposed to be achieved by a large dynamic range floating voltage-controlled linear resistor(VCLR). Since real memristors have not been largely commercialized until now, the application of a LDRFME to memristive systems is reasonable. Motivated by this need, this paper proposes an achievement of a LDRFME based on a feasible transistor model. A first circuit extends the voltage range of the triode region of an ordinary junction field effect transistor(JFET). The idea is to use this JFET transistor as a tunable linear resistor. A second memristive non-linear circuit is used to drive the resistance of the first JFET transistor. Then those two circuits are connected together and, under certain conditions, the obtained "resistor" presents a hysteretic behavior,which is considered as a memristive effect. The electrical characteristics of a LDRFME are validated by software simulation and real measurement, respectively.

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

风浪联合作用下分布式调谐质量阻尼器对海上半潜漂浮式风机的减振控制

海上半潜漂浮式风机在复杂深海环境下产生有害振动会威胁风机的安全性和耐久性,针对该问题并结合美国NREL的5 MW样机的漂浮平台几何结构构造,提出利用分布式调谐质量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMDs),即分别在漂浮平台的3根浮筒中布置TMD,形成等边三角形布置,对随机风浪联合作用下海上半潜漂浮式风机的平台纵摇振动进行控制。为了更好地描述分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机的减振效果,基于拉格朗日方程和模态叠加法,对海上半潜漂浮式风机-TMDs耦合系统提出并建立了9自由度多体动力学模型。基于H_(∞)算法,即以平台纵摇频响函数的峰值为优化目标,对分布式TMDs的参数进行优化设计,优化设计中考虑了3个TMDs之间的耦合关系。对风机-TMDs耦合系统开展了风浪联合作用下的数值模拟,分析了分布式TMDs对平台纵摇响应的减振效果。结果表明:最优设计下的分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机平台纵摇振动具有良好的减振性能;在三种不同工况的随机风浪荷载作用下,分布式TMDs对平台纵摇固有频率附近的功率谱密度曲线峰值减振率和标准差减振率能分别达到39%和52%以上。

烟草钵苗双盘对称交错式自动取苗装置设计与试验

为解决烟草半移栽作业用工量大、效益低等问题,设计一种对称交错式自动取苗装置。首先,阐述该自动取苗装置对两盘钵苗进行交错式取苗的原理,建立取投苗作业过程中的动力学和运动学模型。然后,对送盘装置、取投苗装置和自动控制系统等取苗装置关键部件进行结构设计,分析关键部件的作业过程,结合实际需求完成关键元器件的选型。最后,在已有移栽机动力底盘的基础上试制2ZY-1型烟草移栽机样机,以60天苗龄的烟草钵苗为作业对象进行田间取投苗性能试验。试验结果表明,在自动取投苗速度为20株/min时,取苗成功率为89.63%,投苗成功率为97.20%,伤苗率为3.59%。

波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的统计线性化方法及其在振动控制中的应用

针对海上浮式风机既有分析方法难以高效率地预测其随机动力响应这一问题,提出了一种基于统计线性化算法的波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的随机响应快速计算方法,并对其在浮式风机振动控制中的应用进行了研究。以Spar型海上浮式风机为对象,基于拉格朗日方程建立了其4-DOF的波浪耦合作用下的非线性模型,并验证了所建模型的准确性。在所建立的非线性模型基础上,提出了基于统计线性化算法的Spar型浮式风机随机振动分析方法,并从多方面对该方法进行了验证,结果表明该方法能将计算效率提升4,5个数量级,且具有足够精度。将该方法应用于浮式风机振动控制中,高效率地实现受TMD控制下的风机的控制参数优化和性能分析,得到了TMD的最优控制参数,发现TMD对浮式风机的振动控制效果有随海况等级的提高逐步降低的趋势。所提出方法兼具高精度、高效率和在不同海况下的普适性,同时也为海上浮式风机的设计优化、疲劳分析、可靠性验算等基于统计特性的研究提供了一种高效的分析方法。

大断面矩形过河顶管上浮风险分析及控制

复杂地质条件下,过河顶管施工常遇到上浮问题。从设计角度分析过河矩形顶管上浮风险,分析过河顶管施工中管片上浮的原因:顶管覆土、浮力、管片结构等因素,从增大覆土埋深、改良覆土性质、减小注浆压力、控制浆液浓度、提高顶管附加荷载5个方面进行抗浮风险控制,并提出考虑泥浆套压强、浓度因素的过河矩形顶管抗浮设计控制指标。根据龙岗路大断面过河矩形顶管工程设计经验得到:管线覆土增大3 m后,顶管上覆荷载提高40.5%,顶管自重及上覆荷载之和提高29.4%,浮力作用值提高21.9%;大断面过河矩形顶管覆土抗浮变形条件较难满足,顶管覆土抗浮变形在设计中需要慎重考虑。

基于对偶四元数的多体系统动力学建模和控制

空间机械臂的在轨作业是当前空间在轨服务中应用最为广泛的技术之一,然而,机械臂在操作过程中漂浮基座与臂体之间的位姿耦合效应极为显著,这给控制系统设计带来了新挑战.针对多刚体系统的位姿一体化建模与控制问题,文章改进了基于对偶四元数的位姿一体化建模和控制方法,使之可以应用于多刚体系统.该方法不仅能够精确描述复杂的力学关系,还能够在统一的数学框架中有效地处理位姿耦合问题,这为后续设计姿轨一体化的控制系统提供了极大的便利.首先,基于铰链模型建立了对偶四元数形式的铰链和臂体之间的速度和加速度递推关系,然后,利用铰链和臂体间力-力矩传递关系建立了递推形式的逆向动力学方程,为了便于控制系统设计与分析,随后推导建立了矩阵形式的位姿一体化的正向动力学方程.然后针对推进器和控制力矩陀螺讨论了具体的执行机构的动力学建模问题,并分别讨论了机械臂和漂浮基座的位姿一体化控制问题.最后,对一个6自由度机械臂和漂浮基座的组合体进行了动力学建模和控制仿真,动力学仿真的结果证明了所提动力学建模方法的正确性,控制仿真表明控制系统能较快地抵消机械臂运动对基座产生的干扰力和干扰力矩,证明了所提控制方法的有效性和可行性.

10MW海上浮式风机伺服控制系统设计及耦合动力特性研究

为支撑DTU 10 MW风力机,对5 MW无撑杆半潜浮式风力机支撑平台进行了放大设计,并对10 MW半潜浮式风机的伺服控制系统重新设计。其中,在额定风速以下实施转矩控制,以实现最大功率捕获;在额定风速以上,基于增益调度比例积分(GSPI)控制方法进行变桨控制系统设计,以保证浮式风机的安全运行。基于所设计的10 MW浮式风机伺服控制系统,采用“气动-水动-控制-弹性”全耦合模型对10 MW半潜式风机在恒定风和湍流风作用下的耦合动力特性进行了分析,验证了所设计控制系统的可靠性。研究发现,在伺服系统控制作用下,10 MW浮式风机的运动响应得到有效控制,湍流风对浮式风机的纵荡和纵摇激励作用明显,垂荡运动受到风载荷和波浪的共同激励。

基于改进无模型自适应控制的漂浮式海上风机转矩-变桨协调控制策略研究

针对漂浮式海上风机建模困难、频繁变桨造成的严重疲劳损伤等问题,提出一种基于改进无模型自适应控制的转矩-变桨协调控制策略。该策略不依赖漂浮式海上风机的数学模型,通过集成迭代学习控制策略改进无模型自适应控制方法,设计发电机电磁转矩和桨距角作为控制变量的多输入多输出控制器进行协调控制,允许非零度桨距角下风机用做动能缓冲,在平滑输出功率的同时减少变桨动作量。为证明所提出控制策略的有效性,在多种风场景下,与增益调度PI控制等方法进行了对比实验。结果表明:所提出的控制策略使漂浮式海上风机在满足发电功率平稳性的同时减缓了漂浮平台的俯仰运动,可有效降低漂浮式海上风机的疲劳载荷。

基于FPGA误差可控的浮点运算加速器研究

浮点运算是高性能计算(HPC)领域的基础运算。在大数据与云计算的背景下,高性能计算平台需要处理的数据量与日俱增,而且浮点数的舍入误差在大规模、长时程的运算中会产生累积,因此,在提升浮点运算性能的同时保证计算结果的可靠性非常重要。利用现场可编程门阵列(FPGA)可编程、低功耗、灵活性强的特点,针对含复杂单项运算的浮点多项式设计一种浮点运算加速器。基于无误差变换的思想,通过计算得出舍入误差值,将其补偿到浮点数值上,从而实现误差可控。采用异步并行的方式实现运算加速,并通过构建CPU-FPGA平台最大化地利用计算资源,保证计算任务执行的高效性。数据测试结果表明:在不限制对称性下的数值相对论模拟运算中,该加速器在200 MHz的主频下可达到91.85 MFLOPs的峰值性能;与Intel i76700K CPU运行最大线程数的性能相比,该加速器实现了50.54的加速比,并在该条件下获得了平均53.6%的精确结果百分比以及更低的相对误差,表明其具备较高的可靠性。

地下空间建造过程中抗浮智能控制技术研究与应用

随着地下空间的利用越来越多,地下工程的抗浮问题愈发凸显,地库上浮所产生的破损案例也屡见不鲜。经过分析,大多数抗浮事故发生在建造过程中。将建造过程中地下室抗浮与信息化、智能化相结合,实现建造过程中智能抗浮能力分析和地下水位控制分析,为地下结构施工期间的抗浮安全提供保障。

海上大型结构物的装卸与安装技术研究

海上大型结构物的装卸与安装技术是海洋工程中的重要环节,然而,海上工程环境复杂、作业难度大以及安全性要求高,现有的装卸安装技术但仍存在诸多问题和挑战。针对这一缺陷,研究引入了一种新的智能测控系统进行参数控制,以提升装卸过程的安全性和效率。实验结果表明:传统测控系统在驳船浮态控制中横纵倾角产生的平均压载舱水位分别为1.34和0.92,驳船高度差平均值为1.19。而智能测控系统下驳船横纵倾角产生的平均压载舱水位降至1.08和0.81,驳船高度差平均值降至0.98。研究设计的智能测控系统明显改善了驳船的浮态稳定性,提高了驳船在装卸过程中的稳定性,对提高海上大型结构物装卸过程的安全性和效率具有实际意义。

珠海隧道超大直径盾构浅埋极软地层施工关键技术

浅埋极软地层超大直径盾构施工存在冒顶漏浆、管片上浮、管片渗漏水、盾构姿态控制困难等重难点问题。依托珠海隧道工程,针对盾构始发一侧隧道埋深浅、周边地层极为软弱的特点,制定并采取了地层预加固处理、盾构机针对性设计、同步双液注浆系统改造及注浆方法优化、改进管片防水体系等系统性措施,浅埋极软地层重难点问题得到有效控制。单一的地层预加固措施对浅埋段管片上浮控制效果有限;厚浆与双液浆组合使用的分区注浆方法可实现缩短顶部浆液初凝时间和早强效果,有效解决了管片上浮及渗漏水;控制管片不均匀上浮可以避免管片渗漏水和裂缝漏水问题。

生态文明视角下小浪底水库漂浮物管控探析

漂浮物的存在影响小浪底水库水生态、水环境和水质,同时影响泄洪和发电设备安全运行,管控好漂浮物是水库安全稳定运行的现实需求。研究小组通过分析漂浮物种类和运移特性,借鉴国内外大中型水库漂浮物管控治理经验,按照黄河流域生态保护和高质量发展的要求,结合小浪底水库实际情况,提出了“管、捞、拦、排、用”的漂浮物优化管控建议。