收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

时滞最优控制及其在轮式倒立摆中的应用

周宇生  
【摘要】:最优控制就是要在容许的控制方案中找到一个符合要求的最佳控制方案,这是一个经典的优化问题。由于最优控制具有广泛的应用背景,这使得最优控制理论的研究经久不衰,尤其是线性二次型最优控制问题,它的解是一个简单的状态反馈形式,在实际工程应用中非常容易实现。然而,最优控制对系统的精确性要求比较高,时滞因素和系统的不确定性因素又是实际系统中普遍存在的,完全忽略这些因素的影响设计和使用最优控制器往往得不到好的控制效果,甚至会导致系统不稳定。从信号测量到控制器作用于系统会有一个时间差,这个时间差就是输入时滞,这是不可避免的存在因素。由于输入时滞的存在会导致控制器的设计难度大大增加,所以在设计控制器时,经常会把小量的输入时滞忽略掉。但是对于最优控制来说,其性能指标值对时滞是很敏感的,一个非常小的输入时滞也会大大增加实际的性能指标值。因此考虑输入时滞影响下的最优控制器设计是本文的研究课题。全文共七章。第一章分别介绍了时滞系统最优控制、时滞系统鲁棒最优控制、两轮式倒立摆机器人的研究现状等背景知识。第二章详细阐述了输入时滞对控制系统的影响,以及输入时滞研究的必要性。第三章研究了线性输入时滞系统的最优状态反馈控制,通过引入积分状态变换将输入时滞系统转化为无时滞系统,得到两个系统之间的关系式。通过该关系式,可以利用无时滞系统求解原输入时滞系统的最优控制。最终结果揭示了输入时滞在线性系统的最优控制设计中所起的作用:输入时滞的存在并不改变当前时刻所需要的最优控制量,只是延后了最优控制的作用时间。基于这个认识,我们可以求出时滞最优控制的时滞反馈增益公式。另外,对于多输入时滞系统,可利用动态规划的思想,并结合单输入时滞系统的结果,同样可以得到各输入的时滞最优反馈增益表达式。第四章研究具有外部扰动的输入时滞系统的最优轨迹跟踪控制问题。先通过一个简单的变换将轨迹跟踪目标转化为一个已知扰动,再引入一个改进的积分状态变换,将输入时滞误差系统转化为无时滞系统,并得到两个系统之间的关系式。这样原问题就被转化为无时滞系统的最优扰动抑制问题。为了补偿掉不确定因素的影响,在标称误差系统最优控制的基础上引入扰动观测器,最终设计的控制器包含两部分:一部分是标称系统的时滞最优轨迹跟踪控制,主要作用是用来实现给定的控制任务;另一部分是由扰动观测器所得到的,主要用来补偿掉不确定性因素的影响。由于输入时滞的影响,不能利用当前误差状态来设计控制器,所以引入预测状态代替当前状态,得到最终的时滞最优轨迹跟踪控制器。仿真结果显示,所设计的控制器不但能保持最优控制的性能,还大大提高了最优控制的鲁棒性。在第五章和第六章,我们将理论结果应用于两轮式倒立摆的“往返运动”控制和“低头抬头运动”控制。在两轮式倒立摆的“往返运动”控制设计中,通过引入特殊的线性二次型性能指标,将摆角的误差权重取得尽量大,这样就将“往返运动”控制问题转化为输入时滞线性系统的最优轨迹跟踪控制问题。由于输入时滞的影响,最终设计的控制器中的当前状态用预测状态代替。考虑到实际问题中具有不确定性因素的影响,我们将标称系统的最优状态选取为积分滑模面,设计积分滑模控制器补偿掉不确定因素的影响。仿真结果显示,系统的位移状态几乎没有振动,高频振动都出现在速度变量中,这说明所设计的控制器不但能够很好地实现“往返运动”控制,还对不确定性具有很强的鲁棒性。对于“低头抬头运动”控制设计,由于避障需要的摆角运动范围比较大,所以直接应用线性化模型是不可行的。在不考虑转向运动的情形下,由于系统具有一定的解耦性,可以采用反馈线性化的方法,将关于摆角的子系统转化为简单的线性系统来考虑。根据实际任务设计合适的轨迹跟踪目标,最后设计时滞最优轨迹跟踪控制器来实现运动任务。仿真结果显示,所设计的控制器能够很好地完成“低头抬头运动”任务。最后,在第七章,我们对本文做了一个总结。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 旷华武,项筱玲;一类非线性时滞发展系统的最优控制与松弛化(英文)[J];贵州工业大学学报(自然科学版);2000年04期
2 王翼;最优控制在经济系统中的应用[J];信息与控制;1980年06期
3 潘健;;二次型性能指标下的人口移民最优控制[J];广西大学学报(自然科学版);1985年02期
4 朱文骅;一种最优控制的胞映射算法[J];应用力学学报;1988年04期
5 毛云英,边馥萍;动态投入产出最优控制模型[J];数学的实践与认识;1992年01期
6 蒲志林;非线性发展系统最优控制的存在性及其应用[J];四川师范大学学报(自然科学版);1998年03期
7 张仁忠;带缓冲器的多出口串行生产线的无阻塞最优控制[J];纯粹数学与应用数学;2000年01期
8 于书敏,张仁忠;带缓冲器的多入口多出口串行生产线的无阻塞最优控制[J];哈尔滨师范大学自然科学学报;2000年03期
9 朱贵凤,商妮娜;阶形杆纵向振动的最优控制[J];太原理工大学学报;2001年05期
10 刘国志;动态投入产出最优控制模型[J];数学的实践与认识;2002年04期
11 潘颖,王超,盛严,陈双全;结构振动瞬时最优控制的一种时滞补偿算法[J];力学与实践;2002年05期
12 谢勇,徐健学,江俊;胞映射搜索最优控制路径的新策略[J];应用力学学报;2003年04期
13 丁群燕,曾鑫;求解动态系统最优控制的主要数学方法[J];黄冈职业技术学院学报;2003年01期
14 项筱玲,江阳;一类积微分受控系统的最优控制(英文)[J];贵州大学学报(自然科学版);2003年04期
15 雒志学,王绵森,何泽荣;一类具年龄结构种群动力系统的最优控制[J];应用数学;2004年01期
16 朱敏,田立新,赵志峰,曹海霞;KdV-Burgers方程的最优控制[J];江苏大学学报(自然科学版);2004年03期
17 罗文标,杨伦标;委托代理制度下的最优控制关系[J];华南理工大学学报(自然科学版);2004年09期
18 李丽香,张红霞,谢军,王向东;基于最优控制原理的混沌同步[J];仪器仪表学报;2004年S1期
19 孙志敏,陈文德,于洪年;多入口多出口串行生产线的无阻塞最优控制与调度[J];系统工程理论与实践;2005年08期
20 章婷芳,姚洪兴,耿霞;一类混沌系统的最优控制设计[J];华东船舶工业学院学报(自然科学版);2005年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王青;张颖昕;;“最优控制”课程的教学研究与实践[A];2011高等职业教育电子信息类专业学术暨教学研讨会论文集[C];2011年
2 王青;张颖昕;;最优控制课程实践教学的思考与探索[A];2011高等职业教育电子信息类专业学术暨教学研讨会论文集[C];2011年
3 付春江;王如彬;;手臂屈伸运动中上位最优控制对外部速度力场的补偿适应[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
4 时贞军;王长钰;;洗煤过程控制中的最优控制模型及求解方法[A];复杂巨系统理论·方法·应用——中国系统工程学会第八届学术年会论文集[C];1994年
5 郭磊;于瑞林;田发中;;跳变时刻状态受约束的跳变系统的最优控制[A];第二十四届中国控制会议论文集(上册)[C];2005年
6 卢容德;朱月华;;人体系统的最优控制研究[A];第六届全国人—机—环境系统工程学术会议论文集[C];2003年
7 吴庆林;陈宗海;董道毅;;量子最优控制研究综述[A];’2004系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2004年
8 陈育庭;邓慧红;;教学过程模型及其最优控制[A];数学及其应用文集——中南模糊数学和系统分会第三届年会论文集(下卷)[C];1995年
9 尹翔康;吴冲锋;;带随机参数线性系统的最优控制(Ⅱ):控制矩阵是确定性矩阵[A];全国青年管理科学与系统科学论文集(第2卷)[C];1993年
10 李旭东;王建举;;一类生产库存问题的最优控制[A];1994中国控制与决策学术年会论文集[C];1994年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 庞留勇;肿瘤治疗方案的数学模型研究及数值模拟[D];华中师范大学;2015年
2 张吉烈;基于单网络模糊及无模型自适应动态规划最优控制方法的研究[D];东北大学;2014年
3 秦春斌;基于近似动态规划的优化控制研究及在电力系统中的应用[D];东北大学;2014年
4 任志刚;聚变等离子体中若干时空演化过程的最优控制计算方法研究[D];浙江大学;2016年
5 周刘为;Lévy过程驱动的几类随机系统稳定性分析与最优控制[D];东华大学;2016年
6 明森;基于Littlewood-Paley理论的流体方程组研究[D];西南交通大学;2016年
7 张磊;几类偏微分方程最优控制相关问题研究[D];华中科技大学;2016年
8 周宇生;时滞最优控制及其在轮式倒立摆中的应用[D];南京航空航天大学;2016年
9 刘重阳;非线性切换动力系统的最优控制及应用[D];大连理工大学;2010年
10 邓留保;带跳的不确定最优控制及应用[D];南京理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐嘉龙;具有第一边值条件的双相Stefan问题自由边界的最优控制[D];东北师范大学;2015年
2 于丹;具有第二边值条件的双相Stefan问题自由边界的最优控制[D];东北师范大学;2015年
3 吴文婷;控制受约束的随机线性二次最优控制[D];复旦大学;2014年
4 张鹏举;多阶段间歇发酵过程的最优控制求解[D];大连理工大学;2015年
5 邵娇娇;微生物间歇发酵中酶催化非线性时滞动力系统的最优控制[D];大连理工大学;2015年
6 程关明;间歇发酵非线性动力系统的鲁棒最优控制[D];大连理工大学;2015年
7 康霞霞;两类具有常数输入率的SIRS模型的稳定性与最优控制[D];曲阜师范大学;2015年
8 周书;几类发酵问题的最优控制[D];南华大学;2015年
9 刘尚麟;噪声环境下网络化时滞系统的最优控制[D];青岛科技大学;2016年
10 许婷瑜;两类捕食模型的周期解、分岔及最优控制[D];福州大学;2013年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978