基于四旋翼无人机的多模型自适应容错控制研究
这是一篇关于四旋翼无人机,多模型自适应,执行器故障,故障补偿,容错控制的论文, 主要内容为四旋翼无人机作为一种方便快捷,机动性强的特殊飞行器,广泛应用于航空拍摄,抢险救灾,气象监测等领域。正是由于四旋翼无人机的巨大应用前景,使得其在全球范围内形成了研究热潮,而控制系统的研究是其核心。本文以四旋翼无人机为研究对象,在小角度控制情况下,针对不同的飞行故障,提出了利用多模型自适应控制的方法实现其控制系统的容错控制。本文深入研究了基于多模型的自适应控制方法,扩展了其处理系统不确定性的能力,并提出了新的多模型自适应容错控制策略,以补偿系统故障(执行器故障和结构损伤)造成的参数结构不确定性。本文通过设计过程的描述、系统性能的分析以及在通过仿真模拟,阐述了基于多模型的自适应故障补偿控制系统设计过程。其中主要内容如下:(1)分析了四旋翼无人机的数学模型,建立了三姿态角和高度通道的控制模型,并利用经典PID实现控制。(2)基于模型参考自适应控制设计了多模型自适应执行器故障补偿控制策略,实现了对具有不同故障模式的未知执行器故障的有效补偿。该策略分别针对无人机系统,设计了一组系统和故障参数的估计器,每个估计器对应于故障模式集中一种可能的故障模式,再根据估计的参数计算得到每种故障模式下的控制器,并基于估计误差设计了切换机制确定最合适的当前控制器,从而实现对故障模式、故障时间和故障值都未知的执行器故障的补偿。(3)由于气动设备对姿态角变化的影响,导致气动参数的变化很可能造成姿态角的误差,即状态转移矩阵的不确定因素,为了补偿该不确定性因数带来的系统偏差,通过引入实际状态转移矩阵与参考状态转移矩阵之间的误差,重新优化了多模型自适应控制器,使得新的控制器能够在不确定性因素干扰下,提高其容错性能。(4)针对多模型自适应控制算法的中模型库数量不足,故障覆盖面不广的情况,设计了二级多模型自适应控制算法,对已有的模型库故障模型进行二次权重再分配使其可以在模型数量有限的情况下,匹配更多的故障情况,大大提高了故障模型的利用率以及算法的容错效率。上述多模型自适应容错控制策略都通过matlab/simulink成功实现了仿真模拟,验证了其有效性和可行性。
具有全状态约束的随机非线性系统的多维泰勒网自适应控制研究
这是一篇关于随机非线性系统,全状态约束,自适应MTN控制,容错控制,障碍Lyapunov函数的论文, 主要内容为在实际工业控制过程中,随机现象的存在通常会导致被控系统不稳定,进而给系统的稳定性分析和控制研究带来很大的困难.此外,系统的控制性能可能受到其输入、输出或状态的影响,因此必须施加约束以确保系统的正常运行.特别地,当违反状态约束时,可能会导致控制性能下降,甚至导致系统不稳定.因此,研究受状态约束的随机非线性系统的自适应控制问题显得尤为重要.本文研究几类具有全状态约束的随机非线性系统的跟踪控制问题,分别针对这些控制问题设计了相应的控制策略.主要内容如下:(1)研究一类具有输入时滞和全状态约束的随机非线性系统的跟踪控制问题.首先,利用Padé近似和拉普拉斯变换引入一个新变量来处理输入时滞.其次,为了保证系统的所有状态都满足给定的约束条件,构造了障碍Lyapunov函数(barrier Lyapunov functions,BLFs).在Backstepping过程中采用多维泰勒网(multi-dimensional Taylor network,MTN)逼近未知且连续的非线性函数.然后,结合自适应控制设计了一种基于MTN的控制器.最后,根据Lyapunov稳定性理论证明了所提控制方案能保证闭环系统中所有信号都是依概率半全局一致最终有界(semi-globally uniformly ultimately bounded,SGUUB)的,同时有效地减轻了全状态约束的影响.(2)研究一类受多重故障和全状态约束的随机非线性系统的自适应容错控制问题.首先,设计对数BLFs来解决全状态约束问题,以实现系统控制.其次,将MTN技术融入到Backstepping过程中,设计了一种新的基于MTN的自适应容错控制器.最后,利用Lyapunov稳定性理论证明了所提控制策略确保了所有信号都是依概率SGUUB的,并且即使在受控系统中存在多重故障的情况下,所有系统状态也能被约束在给定范围内.(3)研究一类带有非对称输入饱和与全状态约束的大规模随机非线性系统的自适应分散规定性能控制(prescribed performance control,PPC)问题.首先,通过引入高斯误差函数克服了输入饱和的障碍.其次,通过引入非对称误差传递函数来实现系统输出的瞬态性能.然后,在Backstepping过程中使用非对称BLFs巧妙地规避全状态约束.最后,利用MTN设计自适应分散控制器,保证了闭环系统所有信号依概率SGUUB,并且系统的跟踪误差保持在原点可调邻域内.上述研究表明,本文所设计的控制策略既能实现良好的跟踪性能,又能满足系统的全状态约束要求.通过仿真实验验证了所提控制策略的有效性和技术可行性,这为更一般的随机非线性系统的跟踪控制研究提供了新的思路和方法.
过驱动水下机器人水平面动力定位控制技术研究
这是一篇关于过驱动水下机器人,动力定位,滑模控制,推力分配,遗传算法,容错控制的论文, 主要内容为随着全球经济与科学技术的发展,人类进入了21世纪大规模开发利用海洋空间及资源的时期,党的十九大报告中再次明确“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”的发展战略。水下机器人技术作为船舶与海洋工程、机械科学、计算机科学、电子科学、控制理论等多种学科交叉的产物,近年来得到了迅速的发展,并在海洋资源开发、水下作业中扮演着重要的角色,随着水下作业需求的增加,对水下机器人的性能需求也不断提高,要求水下机器人具备更好的位置、姿态控制能力以及一定的机动性能和容错性能来保障任务的完成。因此,设计一套完备可靠的机器人控制系统具有重要意义。在这种背景下,本课题采用一款开源的过驱动水下机器人Blue ROV2 Heavy作为研究对象,并以动力定位任务为目标展开控制系统关键技术的研究。本文首先对该水下机器人的硬件、软件组成框架及数学模型进行分析,之后针对控制系统中的运动控制、推力分配、故障诊断及容错三个模块进行算法设计,最后通过Matlab仿真与实际试验的方式进行算法可行性的验证,为研究完备可靠的水下机器人控制系统提供了参考。具体研究内容及创新点如下:(1)首先介绍本课题的研究背景和意义,对水下机器人的发展历程及水下机器人控制系统关键技术进行综述。随后对研究对象Blue ROV2 Heavy的硬件、软件框架详细介绍,接下来依据挪威学者Fossen模型和各推进器的配置形式对水下机器人建立六自由度运动学、动力学模型和推进系统模型。最后为简化算法的推导过程及便于试验验证,引入约束条件得到机器人在水平面的运动学、动力学和推进系统模型。(2)面向水下机器人的动力定位任务进行滑模运动控制器的设计:首先结合滑模变结构策略和幂次趋近律设计了一种基准控制器。随后,在此基础上,引入非线性扰动观测器和辅助动力系统分别实现对外界扰动的逼近补偿以及对系统输入饱和现象不利影响的抵消。进而,设计得到一种鲁棒抗饱和滑模控制器,并通过李亚普诺夫稳定性理论和仿真研究证实了所设计控制器的有效性。(3)针对过驱动配置的冗余推力分配问题进行推力分配策略的研究:首先基于伪逆方法设计推力分配器,但该方法在推力饱和工况的应用中存在限制。随后选择群智能优化算法中较为成熟的遗传算法进行推力分配研究,并通过自适应选择、变异算子提高算法收敛性,引入多种群概念提高求解的稳定性。遗传算法存在计算资源消耗高的问题,因此结合伪逆与遗传算法的优点提出伪逆-改进遗传切换算法,最后通过Matlab仿真证明所提出的切换算法能够在满足实时性的情况下实现偏差最小、能耗最优的推力分配。(4)适用于推进器故障工况的故障诊断及容错策略的研究:首先根据推进器故障的表征形式对机器人进行故障问题建模。随后为了简化诊断流程,采用推进器效率因子和机器人的运动状态量构建扩展状态变量,并基于无迹粒子滤波方法实现故障推进器的效率估计。为了增加故障诊断的可靠性,通过贝叶斯分析算法实现推进器故障判定。接下来考虑到不同故障程度,设计效率修正和故障屏蔽两种重构容错方法。最后通过Matlab仿真证明故障诊断算法及容错算法的有效性。(5)基于过驱动水下机器人Blue ROV2 Heavy在船模拖曳水池和湖泊中开展试验验证:首先基于QT应用程序框架开发用于算法验证的岸基监控软件,该软件可以进行系统状态监控、算法求解及指令的发送。随后开展水下基础航行控制、动力定位等运动控制试验,另外根据现有的传感器等硬件条件对算法进行简化以开展故障诊断和容错控制试验,有效地验证本课题提出算法的可行性。
基于观测器的四电机伺服系统运动控制及容错研究
这是一篇关于多电机伺服系统,命令滤波反步法,观测器,模糊逻辑系统,容错控制的论文, 主要内容为随着《中国制造2025》制造强国战略文件的颁布,大力发展智能化装备,推进先进智能技术装备的工业化与产业化进程已成为我国制造业发展的主流趋势。伺服系统作为电力传动系统的核心零部件,在智能化装备中扮演着重要角色,日渐拓展的应用领域使伺服系统常面临大惯量、高精度伺服控制问题,对伺服跟踪系统的性能有了更高的要求。多电机伺服系统由于其稳定性、驱动扭矩和机械结构的优势而被用于拖动大惯量负载的工业领域,但多电机伺服系统中存在多个电机的速度同步问题,如果处理不当会产生“伺服打架”,对系统机械结构产生影响减少机械寿命。此外,多电机结构带来了硬件上的冗余,在个别电机故障时仍具有一定的带载能力,可进一步考虑故障检测及诊断并根据不同的故障情况,选择相应的容错控制方案,可以在不停机的情况下继续运行,保持系统的稳定性并维持一定的控制性能。本文研究了四电机伺服系统的高精度同步跟踪与容错控制问题,在传统反步法的基础上结合命令滤波技术、观测器、自适应控制方法以及Lyapunov稳定性理论,设计了多电机伺服系统控制策略,实现高精度同步控制与执行器部分失效情况下的容错控制。本文主要的工作内容归纳如下:1.建立四电机同步驱动伺服系统的数学模型,采用命令滤波反步法进行控制器设计。根据四电机伺服系统的结构特点,将四个电机分为两组,结合交叉耦合同步控制策略,在反步法设计过程中加入组内和组间同步反馈信号,保证电机能以相同速度同步运行。此外,为避免传统反步法的“计算爆炸”的现象,利用命令滤波技术处理虚拟控制信号,并设计滤波误差补偿子系统,提高跟踪精度;最后基于Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的稳定性,仿真结果验证了控制方法的有效性。2.针对含有非线性摩擦转矩的四电机驱动伺服系统,设计了一种基于扩张状态观测器的命令滤波反步控制方案。采用可精确描述低速非线性摩擦动态的LuGre摩擦模型对摩擦转矩进行建模,在命令滤波反步法进行控制器设计的基础上,利用扩张状态观测器估计状态变量和负载侧非线性摩擦力矩。根据Lyapunov理论分析了闭环系统的稳定性,通过仿真与实验验证了摩擦力建模的准确性及系统的控制性能。3.针对四电机同步驱动伺服系统中执行器失效会导致系统性能下降甚至失稳的情况,结合四电机系统的硬件冗余特点,提出了一种基于命令滤波反步法的容错控制策略。当单个执行器部分失效时,设计自适应观测器观测失效因子;同时设计了组间的速度误差信号,提高了同步性能。对于系统中存在非匹配不确定项的情况,利用模糊逻辑系统进行处理。仿真结果表明,所设计的控制策略能保证系统在电机部分失效的情况下系统迅速回归稳定,得到与故障前类似的控制性能。
模糊系统的容错控制及船舶动力定位应用
这是一篇关于船舶动力定位系统,非线性系统,故障检测,容错控制,有色噪声的论文, 主要内容为近几十年来,随着科技与经济的快速发展,人们对于资源的需求越来越大。随着人口激增、陆地资源短缺、环境遭到破坏等问题的影响,人们逐渐将目光转移至海洋资源开发。随着各国对海洋资源的开发利用,为了提高海上作业的精度,船舶动力定位系统逐渐成为了人们研究的对象。由于船舶大多具有较强的非线性、模型参数不确定以及容易受到环境干扰的特点,本文针对国内外复杂非线性系统控制问题进行了学习与研究,了解了复杂非线性系统容错控制问题的热点与难点。本文考虑系统存在建模参数摄动问题以及实际运行中受到外部干扰影响的情况,针对复杂非线性系统的容错控制问题展开研究并将理论方法与船舶动力定位问题相结合,具体内容包括:首先,针对带有建模参数摄动的非线性系统的容错控制问题展开研究。在本方法中,基于模块化的思想将故障观测器设计以及容错控制器设计分开。观测器的设计中,使用结合局部非线性建模技术的T-S模糊建模技术对系统进行建模,并使用未知输入观测器技术处理系统中的参数摄动并得到控制器设计所需的故障估计值。控制器设计部分,由于无法使用未知输入观测器技术,因此使用区间二型T-S模糊建模技术对系统重新建模并基于得到的故障估计值设计容错控制器使得闭环系统能够实现有限时间有界并满足H∞条件。该方法有效降低了设计环节以及求解过程复杂度并能够具有较低的保守性。其次,考虑实际环境中系统受到随机过程向量的影响,使用随机微分方程理论将其刻画为有色噪声,进而针对有色噪声影响下的非线性系统容错控制问题展开研究。本方法降低设计、求解过程复杂度的同时,使用随机微分方程理论对误差(闭环)系统进行分析,给出故障观测器以及容错控制器的设计方法,并通过Lyapunov理论方法分别得到误差(闭环)系统稳定性判据。从仿真实验可知,本章节所提方法可以有效降低有色噪声及执行器故障对被控系统的影响。最后,结合船舶动力定位问题展开研究,设计了一种基于故障观测器故障辨识功能的容错控制方法。本章节使用T-S模糊建模技术将船舶动力定位系统中的坐标轴转换矩阵线性化得到船舶动力定位系统的T-S模糊模型。考虑到观测器设计过程中存在的随机过程向量的影响,使用随机微分方程理论将其刻画为有色噪声并使用结合随机微分方程理论的Lyapunov理论进行分析,降低有色噪声对估计效果的影响。为了补偿故障对系统的影响,根据故障观测结果设计容错控制器使得系统能够实现最终一致有界。通过MATLAB仿真平台给出一个仿真算例,验证本章节所提方法的有效性。
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