空间机器人控制方法研究综述

空间机器人具有强耦合非线性的动力学特征,因此欲达到较高的跟踪精度,需要采用高级的控制策略。首先,对空间机器人轨迹跟踪控制方法进行分类阐述;接着,对无速度反馈情况下,基于速度观测器的控制方法进行论述;最后,对存在关节死区机器人的补偿控制方法进行论述。在对目前空间机器人的控制方法进行阐述的同时,对抑制不确定性干扰及加快误差收敛速度问题进行了探索。

一类严格反馈时滞系统的自适应输出反馈控制

针对一类单输入单输出的严格反馈时滞系统研究跟踪控制问题。该控制系统包含不确定项、输出约束、未知死区特性和未知时间延迟。首先,设计一个状态观测器来估计无法测量的系统状态;其次,利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络去逼近未知的系统内部动态;同时,利用障碍李雅普诺夫(Lyapunov)函数确保输出约束及Lyapunov-Krasovskii方法消除时滞项对系统的影响;最后,基于Lyapunov稳定性理论,构造一个鲁棒自适应神经网络输出反馈控制器,并且克服了过参数问题。结果显示,设计的神经网络输出反馈控制器可以保证闭环系统中的所有信号都是半全局最终一致有界的,跟踪误差能收敛到零值小的领域内。文中通过两个例子进一步验证了提出方法的有效性。

一类离散不确定系统自适应滑模输出反馈控制

研究了离散不确定系统的滑模输出反馈控制问题.考虑离散系统的不确定为非匹配不确定,且具有未知的范数界,通过设计死区自适应律,实现了对此不确定界的在线辨识.在此设计的基础上,基于快速输出采样(multirate output sampling)原理,对系统设计了具有不确定自适应的滑模输出反馈控制器,在所设计的控制器作用下系统渐近稳定.快速输出采样是通过设置输出采样频率大于输入采样频率,经过相应的运算得到系统的当前状态信息与系统前一时刻输入信息和当前输出信息具有一定的函数关系.最后通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性.

动态饱和鉴相鉴频器

在鉴相鉴频器的复位路径中插入可变延迟单元,利用反馈动态调节延迟时间,可消除死区并且不受环境变化的影响;采用多级鉴相鉴频器,可扩展鉴相鉴频器的工作范围,改善输入输出的非线性,提高鉴相鉴频性能。文章综合两者的优势,提出了一种动态饱和鉴相鉴频器,并把其应用在锁相环中,结果表明该电路在增加的功耗开销小于0.44%的情况下,使得锁相环的锁定时间减小了14%。

具有死区输入和输出受限系统的动态面控制

对存在死区输入和输出受限的动态非线性系统,给出一种基于动态面的控制策略.设计适当的待逼近未知连续函数,处理动态不确定性和非仿射函数的影响.引入对称障碍Lyapunov函数(barrier Lyapunov function, BLF),保证了BLF有界,实现输出受限.利用Lyapunov稳定性定理,分析得到闭环系统半全局一致最终有界,且满足输出约束.仿真算例验证了该策略的有效性.

带有输入死区和输出受限的非线性系统自适应控制

研究带有输入死区和输出受限的非线性系统自适应控制.利用径向基函数神经网络逼近系统的未知非线性项和有界扰动,使用障碍李雅普诺夫函数约束系统的输出,基于李雅普诺夫稳定性原理构造控制器.仿真结果表明该控制器具有有效性.

一种考虑功率波动死区的光储出力研究方法

为解决光伏在并网过程中功率波动的问题,首先根据国标设置功率波动的死区限值,然后对光伏控制系统进行理论分析,并且选取测试过程中功率波动较大的光伏数据,采用自适应指数移动平均算法对其优化,最后在MATLAB中搭建仿真模型,验证光伏和储能系统能够将超出死区的功率控制在一定范围内,同时维持系统电压的稳定。

基座、臂杆全弹性空间机器人抗死区动态面控制

为了抑制漂浮基空间机器人的弹性基座与柔性臂杆的振动及避免关节力矩输出死区的影响,探讨了基座、臂杆全弹性漂浮基空间机器人系统存在关节力矩输出死区时的轨迹跟踪及双重柔性抑振问题。将弹性基座与臂杆间的连接视为弹簧连接,结合假设模态法,推导出系统的动力学方程。应用奇异摄动方法,将系统分解慢变、快变子系统,分别表示刚性运动、基座弹性与双柔杆振动。对于慢变子系统,针对系统存在死区的情况,设计了基于自适应高斯基模糊的动态面控制器。动态面的引入避免了反演法引起的计算膨胀,减少了计算量;模糊逻辑函数逼近了含有死区误差和外部干扰在内的动力学不确定项;针对快变子系统,采用线性二次型最优控制以抑制基座与双杆的柔性振动并利用Matlab进行仿真验证。仿真结果表明:所设计的控制方案使得基座姿态与两臂杆相对转角收敛到期望角度,基座位移与臂杆的一、二阶振动模态收敛到零。

存在死区的双柔杆空间机器人有限时间控制与抑振

探讨了存在关节力矩输出死区情况下,基于有限时间的漂浮基双柔杆空间机器人系统的轨迹跟踪与柔性抑振问题。采用奇异摄动理论,将系统的动力学方程分解为慢变与快变子系统,分别表示刚性运动与柔性振动。针对模型存在不确定性和死区参数未知的慢变子系统,设计了死区预补偿器和一种基于名义模型的有限时间控制器。引入了具有有限时间收敛特性的积分式滑模面,它与传统渐近收敛控制方法相比,具有更快的收敛速度、更好的鲁棒性和抗干扰特性。对于快变子系统,采用线性二次最优控制方法主动抑制其振动,以保证系统良好的稳定性。结合有限时间稳定性引理,采用李雅普诺夫理论证明了所提控制算法能使跟踪误差在有限时间内收敛到原点。仿真算例验证了所提方法的有效性。

存在关节力矩输出死区及外部干扰的漂浮基空间机械臂积分滑模神经网络自适应控制

探讨了载体位置和姿态都不受控时,漂浮基空间机械臂在带有关节力矩输出死区及外部干扰情况下轨迹跟踪的控制算法设计问题。死区与外部干扰影响系统的跟踪精度与稳定性。为此引入积分型切换函数,减少外部干扰引起的稳态误差,并利用径向基函数神经网络逼近动力学方程的未知部分,设计了一种积分滑模神经网络控制方案。控制算法的优点是,在死区斜率与边界参数不确定及最优逼近误差上确界未知的条件下,可以利用最优逼近误差、死区及干扰的补偿项来消除影响。李亚普诺夫稳定性分析证明了闭环系统的稳定性,且轨迹跟踪误差将收敛到0的某个小邻域内。仿真算例证实了该控制算法的有效性,实现了空间机械臂的轨迹跟踪控制。

双柔臂空间机器人运动、振动一体化抗死区控制

探讨漂浮基双柔臂空间机器人存在关节力矩输出死区与外部干扰时的姿态角度运动跟踪及柔性抑振的控制问题。引入含有刚性运动与柔性模态的混合轨迹概念,提出基于运动、振动一体化的积分滑模神经网络自适应控制方案。此方案的优点是不但通过补偿项消除了死区斜率与边界参数不确定及最优逼近误差上确界未知的影响,确保了刚性运动的鲁棒性,而且能同时主动地抑制两臂杆的柔性振动,从而提高轨迹跟踪性能。仿真算例结果表明方案能有效地实现运动、振动一体化控制。

漂浮基空间机器人抗死区的自适应鲁棒补偿控制

针对漂浮基空间机械臂系统存在关节力矩输出死区的现象,设计了抗死区的自适应鲁棒补偿控制算法。用自适应死区估计补偿器来消除关节力矩输出死区的影响,首先利用无参数误差的动力学模型设计计算力矩控制器,然后将自适应鲁棒控制用于辨识、消除系统参数的不确定性,保证了具有输出力矩死区的系统稳定性与动态性能。最后对控制策略进行了Lyapunov稳定性证明,并通过软件仿真验证了控制方法的有效性。

具有死区输入时滞大系统的实际跟踪问题

研究一类具有非对称死区输入且死区参数未知的非线性时滞大系统实际跟踪问题。通过设计一个含有动态高增益的输出补偿器,提出一种鲁棒自适应控制方案。通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii泛函,结合动态高增益放缩法和一步反推法,对闭环系统进行稳定性分析,稳定性分析结果表明:在保证闭环系统所有信号有界的同时,设计的控制器的输出能以预先给定的任意小误差跟踪一类有界参考信号。最后,通过数值仿真实例验证了方案的可行性。

输出非对称死区的非严格反馈非线性系统控制

本文研究了具有输出非对称死区和状态含未知控制方向的非严格反馈非线性系统,设计了稳定的自适应神经网络控制器.首先,针对输出非对称死区的问题,本文采用死区逆的方法,构造光滑模型逼近原死区模型.其次,在控制器设计过程中,基于障碍Lyapunov函数的构造,动态面控制和反步法,设计出自适应控制信号,虚拟控制信号和实际控制信号.通过稳定性分析,证明所设计的神经网络控制器可以保证闭环系统内所有信号是半全局一致最终有界.最后,通过MATLAB数值仿真,说明所设计控制器的有效性.

Global practical stabilization of the double integrator system with an imperfect sensor and subject to a bounded disturbance

This paper is concerned with global practical stabilization of the double integrator system with an imperfect sensor and subject to an additive bounded output disturbance.The imperfect sensor nonlinearity possesses the nonlinear characteristics of saturation and dead zone.Because of the presence of output dead zone and the additive disturbance,the states cannot be expected to driven into an arbitrarily small neighborhood of the origin.To solve the global practical stabilization problem,we proposes a low gain-based linear dynamic output feedback law,under which the first state enters and remains in a bounded set whose size is depended on the bound of disturbance and the range of dead zone and the second state enters and remains in a pre-specified arbitrarily small set,both in finite time.Simulation results illustrate the effectiveness of our proposed control method.

基于两阶段TKF的测量死区下离散时间系统的故障估计

针对出现测量死区的离散系统,提出一种基于两阶段TKF的故障估计方法。引入2个Bernoulli随机向量描述输出死区,并设计了增广状态Tobit卡尔曼滤波器(augmented state Tobit Kalman filter,ASTKF)。通过两步U-V变换方法对ASTKF的协方差矩阵解耦,从而获得两阶段Tobit卡尔曼滤波器(two-stage Tobit Kalman filter,TSTKF),并且利用TSTKF解决了系统故障估计问题。对所提出方法进行仿真,并与标准卡尔曼滤波器、间歇观测下的卡尔曼滤波器进行比较,说明了该方法的可行性和准确性。

带输出死区的多智能体系统预设时间事件触发式协同控制

针对带有输出死区的多智能体系统的一致性控制问题,提出一种可预设时间的事件触发式协同控制方法.输出死区现象普遍存在于实际系统,对控制回路中负反馈调节影响较大,会导致系统控制性能的下降.为此,通过结合Nussbaum函数对输出死区特性进行补偿,以削弱其对系统性能的影响,但上述问题解决的同时也会加剧对系统控制传输资源的占用.由于多智能体系统依靠智能体之间频繁的信息交互实现控制目标,自身传输资源有限.考虑到实际系统的限制,利用事件触发控制策略节省系统的控制传输资源.更进一步,为有效提高系统性能,使系统能够快速达到稳定,引入一类转换函数进行系统变换,实现系统同步误差在预设时间内收敛于紧集的目标.理论分析和仿真结果验证了所提出方法的有效性.

一类非线性系统的输出反馈跟踪控制

研究了一类带有动态不确定性的非线性系统鲁棒输出跟踪控制问题.应用结合死区技术的反步方法,提出了一输出反馈跟踪控制方案.设计的鲁棒跟踪控制器能够使得跟踪误差在有限时间后收敛到原点的任意小邻域,同时保证闭环系统的其他信号有界.仿真例子验证了该控制方案的有效性.

漂浮基空间机械臂抗死区与摩擦的动态面控制

针对存在关节力矩输出死区、摩擦与外部干扰的漂浮基空间机械臂系统,提出一种基于高斯模糊基的自适应动态面控制,使两关节铰能够跟踪期望运动轨迹.利用摩擦双观测器估计不可测的内部摩擦状态;设计动态面避免反演法带来的计算膨胀问题,简化计算;应用模糊逻辑函数逼近包含死区误差与外部干扰在内的动力学不确定项,并采用自适应律调整高斯基权值矩阵和LuGre摩擦参数.李雅普诺夫理论证明系统半全局最终一致有界.仿真结果为两关节铰的轨迹跟踪误差在仿真2 s之后均小于0.2°,表明控制方法有效.

输出死区下的随机多智能体系统一致性饱和控制

针对一类存在输入饱和和输出死区现象的非严格反馈非线性随机多智能体系统,提出一种自适应神经网络一致性饱和控制算法.首先,为了解决非对称输入饱和问题,构造一类与所考虑智能体相同阶次的辅助系统;然后,以反步法和辅助系统作为框架,利用神经网络处理系统中的未知非线性函数,并结合Nussbaum函数解决输出死区问题;接着,利用动态面控制技术避免“计算爆炸”问题;然后,基于李雅普诺夫稳定性理论验证所提出的控制算法能够保证闭环系统全部信号依概率半全局一致最终有界;最后,通过数值仿真和实例仿真的结果验证所提出控制算法的有效性.