Research on Optimal Preview Control for Object Trajectory Tracking

【摘要】：最优预见控制(OPCM)是一种新的控制理论,在工程技术领域有着广泛应用。预见控制利用未来信息改善轨迹跟踪性能、抑制十扰。最优预见控制已经成功的应用于工程技术领域,如汽车主动悬挂、火电机组负载控制等。基于最优预见控制理论,很多学者在各自应用领域提出了相应的控制算法,但在轨迹跟踪方面研究与应用的文献还比较少。本学位论文旨在基于最优预见控制原理设计一种空间轨迹跟踪算法实现高精度轨迹跟踪或路径控制。 尽管通过使用未来信息来追踪控制的预见理论在上世纪六七十年代已被广泛研究,但是其在伺服控制系统领域的应用还没有得到足够的关注,而伺服控制系统领域是用于现代工业过程的最重要的技术之一,并将引起工业过程的发展以及提高工业产品的准确性和效率。OPCM是一种有效的方法。给予OPCM设计的控制系统,不仅保持了系统的良好性能,并且可以满足控制系统的性能需求。系统的状态是一些变量的集合,这些变量和输入方程的值,以及动力学方程将提供出系统的将来状态和输出。当可预见参考信号时,即参考信号的一些有限的未来值和当前以及过去的值在每个时间步长上是可用的,预见控制可提高被控对象的瞬态性能。对于最优预见轨迹系统的综合,一些关于最优伺服系统二次方程的性能指标已经被引进。控制定律在预见时间间隔内被包含控对象状态反馈和参考信号的前馈。 现已使用最优预见控制和保留伺服机的约束设计了一种控制器来追踪参考轨迹。控制设计过程包括线性化和离散化伺服系统模型以及预览增益序列是通过解决最优化问题来计算得出的,使用该增益可降低高度误差。预见长度可以调节使之与追踪装置一致。在预见控制方案中,当追踪真实日标信号时,系统可以充分开发目标信号已知的将来信息的优势。预追踪方案仅仅用在目标轨迹的将来信息是可以获得的情况下,否则预追踪方案是不可行的。控制方法包括了在预见时间间隔内来自被控对象的反馈和参考信号的前馈。预控制器是一种使用目标信号以及设计过程中干扰的未来信息的控制器。通常来说OPCM是建立在误差,目标信号和真实轨迹之间的差异的基础上的。OPCM可以有效控制输入多输出(MIMO)系统。 为了能直观的研究出有效预见控制的步数,需要计算最优预见控制系统中评价函数的值,并将其与其他伺服系统的控制函数的值做比较。通过比较,我们可以得出结论：当预见步数为零时,那么就不需要前向补偿。然而,这样的控制系统只是最优控制系统(OCS),却不是最优预见控制系统(OPCS)那就是说,最优控制系统(OCS)是最优预见控制系统的预见步数为零时的特殊情况。当预见步数增加时,评价函数的值也会增加,同时,最优预见系统的评价函数值将降低,降低了跟踪的误差值,使系统具备更好的跟踪性能。当预览步数增加到某个值时,评价函数减少值小到可以忽略,也就是说,在预览步数增加到某个值时,继续增加将毫无意义。因为它不再影响预见控制而同时计算机的成本将变高。由此可可见,评价函数值需慢慢降低,最后收敛为一个定值。所以较长远的未来信息将对评价函数的值造成较小的影响,而能造成影响的则是反馈系统的特征值,确切的说,如果系统的响应速度快,接近未来信息就够了,反之如果系统的响应速度缓慢,它需要更多的未来信息。 本论文将通过仿真与实验对控制系统进行轨迹跟踪的理论研究。使用通用控制器UMAC,在预见控制方法的基础上取得3轴伺服系统的良好的跟踪性能。本文的主题是基于最优预见控制方法研究和设计空间物体轨迹跟踪控制器,并将其应用于伺服系统上。论文由三部分组成。第一部分我们将建立一个精确的数学模型,第二部分将通过MATLAB仿真软件进行仿真,第三部分是实验工作,在先前研究的基础上,提供了一种轨迹跟踪控制算法,构建了一个实验用来实现轨迹跟踪并建立其数学模型,然后进行数学仿真分析,最后将仿真结果应用于实验研究。该实验装置。该实验装置需要最好的运动控制器为核心,以伺服电机为驱动机构的精确定位平台,同时具有强大的实时和联系性能,强大的硬件和软件功能使其有更加广泛的应用,通过对3轴运动平台控制验证所提出的空间目标轨迹跟踪算法,实验结果研究证明算法是有效的。 本论文内容涉及最优预见跟踪控制算法的基本原理分析、仿真、实验模型的建立以及算法可行性的实验研究,分析了日标轨迹跟踪控制最优预见的发展和前景。本篇论文综合以往的研究：给出了一个空间物体的轨迹跟踪控制算法;构造一个用于实现轨迹跟踪的实验系统,建立了其数学模型;利用控制算法进行仿真分析,最后进行实验研究,得出以下结论：通过对算法的仿真研究得出最优预见控制算法是有效的,但也表明,除了有在建立实验模型过程中发生了偏差,最优预见跟踪控制算法在线性空间理论方面已经非常成熟。通过实验分析证实了仿真和实验证实了最优预见控制是一种有效的跟踪控制算法。对伺服系统来说,与最优控制方法相比,最优预见控制方法能有效提高相位响应。一日获得取决十控制系统活动的未来信息,我们将能够计算出评价功能。未来信息对决定人的行为方面具有重要意义,它代表了“前馈思维”