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陀螺寻北仪限幅系统鲁棒近时间最优控制器

更新时间:2019-12-24 17:40:36 大小:3M 上传用户:xiaohei1810查看TA发布的资源 标签:时间最优控制滑模控制 下载积分:1分 评价赚积分 (如何评价?) 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对陀螺寻北仪的限幅系统设计了一种鲁棒近时间最优控制器。首先将陀螺寻北仪的快速限幅问题转化为时间最优控制问题,然后提出设计一种鲁棒近时间最优控制器来克服理论时间最优控制器的缺陷。该控制器结合了传统的 bang-bang 控制,滑模控制以及一种备份控制。滑模控制器的设计运用时间最优控制的思想并通过 Lyapunov 稳定性理论推导出控制器参数的选择标准。为了解决控制器在原点处不稳定问题,提出了另一类具有线性滑模面的滑模控制器作为备份控制。数值仿真结果证明了提出的控制器的可行性,在明显降低抖振的同时在时间指标上与理论控制器相近。这种控制器的设计方法同样适用于小阻尼项的二阶系统。

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系 统 工 程 与 电 子 技 术  
S stem s E n er E ctrs  
38  
11  
V o38 N o.11  
2016  
11  
N ovem ber 2016  
                                                   
文 章 编 号 :  
100- 06X 2016 1- 62- 6  
网 址 :  
w w w .s - e.com  
陀 螺 寻 北 仪 限 幅 系 统 鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制 器  
陈 志 翔 谭 立 龙 陈 励 华  
火 箭 军 工 程 大 学 兵 器 发 射 理 论 与 技 术 国 家 重 点 学 科 实 验 室 陕 西 西 安  
710025  
1.  
火 箭 军 工 程 大 学 自 动 控 制 工 程 系 陕 西 西 安  
710025  
2.  
针 对 陀 螺 寻 北 仪 的 限 幅 系 统 设 计 了 一 种 鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制 器 首 先 将 陀 螺 寻 北 仪 的 快 速 限 幅  
ꢀ ꢀ  
问 题 转 化 为 时 间 最 优 控 制 问 题 然 后 提 出 设 计 一 种 鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制 器 来 克 服 理 论 时 间 最 优 控 制 器 的 缺 陷 。  
该 控 制 器 结 合 了 传 统 的 控 制 滑 模 控 制 以 及 一 种 备 份 控 制 滑 模 控 制 器 的 设 计 运 用 时 间 最 优 控 制 的  
n - n  
思 想 并 通 过  
稳 定 性 理 论 推 导 出 控 制 器 参 数 的 选 择 标 准 为 了 解 决 控 制 器 在 原 点 处 不 稳 定 问 题 提  
nov  
y p  
出 了 另 一 类 具 有 线 性 滑 模 面 的 滑 模 控 制 器 作 为 备 份 控 制 数 值 仿 真 结 果 证 明 了 提 出 的 控 制 器 的 可 行 性 在  
明 显 降 低 抖 振 的 同 时 在 时 间 指 标 上 与 理 论 控 制 器 相 近 这 种 控 制 器 的 设 计 方 法 同 样 适 用 于 小 阻 尼 项 的 二  
阶 系 统 。  
关 键 词 陀 螺 寻 北 仪 限 幅 系 统 时 间 最 优 控 制 滑 模 控 制  
中 图 分 类 号 :  
文 献 标 志 码 :  
D O I 3969 .100- 06X .2016.11 .25  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
T N 384  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
R obust tim e-subo tim al controller for dam in s stem s of rosco es  
p
p g y  
gy  
p
C H E N -ua  
C H E N Z -i xn  
T A N -n  
C hina R ocket  
f
A rm am ent L aunch T heor and T echnolo  
y
K e D isci line L aborator  
p
o
g y  
y
y
X i an 710025 D e artm ent o A utom atic C ontrol  
F orce U niversit  
o
E n ineerin  
g
y
f
g
p
f
E n ineerin  
g
X i an 710025  
R ocket F orce U niversit  
o
y
f
g
A bstract A rbut t - bo  con sed r dam n s tem s of sco es. ec-  
ꢀ ꢀ  
gy  
conl w  n - de onl and an an  
ni ue voes om bn of ranal ban - ban  
con. It  ates tm e o  conea o t de onl desi n and  de  
consta b L a unov n a ach . A s ecl s about talit ar e  
y p pp y p  
n is nal ze. T o  m a n m de on h liar s ce  sed  
as an a on. N m eral n resuts m otrate tcteness of  sed conr  
reter l w le rf arl as w e oreal cor. T ecni ue an  
be o a r sm ilr seco- er s em s h can ct e dam erm ractl .  
pp  
; ; ;  
sco es im itin tem s -  l con n m de onl  
p g y p g  
K e w ords  
y
gy  
称 作  
控 制 理 论 上 的 时 间 最 优 控 制 系 统 是 不 可  
n - n  
行 的 因 为 控 制 器 对 外 界 的 干 扰 模 型 的 误 差 以 及 参 数 的 变  
化 非 常 的 敏 感 大 量 的 文 献 都 研 究 了 在 保 持 控 制 器 的 近  
陀 螺 寻 北 仪 广 泛 应 用 于 工 业 的 各 个 领 域 同 时 陀 螺 寻 北  
ꢀ ꢀ  
仪 的 寻 北 时 间 又 是 仪 器 的 一 个 重 要 的 指 标 陀 螺 寻 北 仪 定  
向 主 要 可 分 为 粗 寻 北 限 幅 精 寻 北 根 据 工 程 经 验 ,  
时 间 性 质 的 同 时 提 高 控 制 器 鲁 棒 性 的 方 法 这 些 方 法 已 成  
10  
功 应 用 在 硬 盘 驱 动 磁 头 的 定 位  
-  head oso-  
1 1 16  
在 整 个 寻 北 过 程 中 限 幅 时 间 占 到 整 个 寻 北 时 间 的 三 分 之 一  
和 取 放 机 器 人  
。  
- - ce ros  
n  
左 右 因 此 提 高 限 幅 效 率 是 缩 短 寻 北 时 间 的 有 效 途 径 。  
陀 螺 寻 北 仪 的 快 速 限 幅 问 题 可 转 化 为 时 间 最 优 控 制 问  
控 制 的 目 标 是 将 陀 螺 主 轴 在 受 限 的 控 制 律 作 用 下 用  
最 短 的 时 间 从 初 始 状 态 转 移 到 目 标 状 态 时 间 最 优 控 制 常  
然 而 在 上 述 的 应 用 中 系 统 的 模 型 常 被 简 化 为 二 阶 双  
积 分 系 统 文 献 针 对 二 阶 双 积 分 系 统 建  
1987  
17 18  
e t-  l serv-  
立 了 近 时 间 最 优 伺 服 系 统 ,(  
m ec P T O S  
)。 该 系 统 只 能 用 于 与 双 积 分 系 统 运 动  
收 稿 日 期 :  
2015 08 06  
修 回 日 期 :  
2016 05 31  
网 络 优 先 出 版 日 期 。  
2016 06 22  
网 络 优 先 出 版 地 址 :  
t  
万方数据  
/  
w w w .cm s ta .2422.T N .20160622.1136.008.hm l  
基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 (  
资 助 课 题  
41174162  
·
·
                                                   
陈 志 翔 等 陀 螺 寻 北 仪 限 幅 系 统 鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制 器  
11  
2625  
特 性 类 似 的 系 统 与 此 同 时 文 献 [  
针 对 二 阶 双 积  
控 制 律 受 到 约 束 :  
]。  
11 13  
分 系 统 也 提 出 了 一 个 非 线 性 的 控 制 策 略 来 实 现 鲁 棒 近 时 间  
控 制 文 献 [ ]设 计 的 和 文 献 [ ]设 计 的 控  
u
u m ax u m ax  
结 合 工 程 实 际 根 据 陀 螺 寻 北 仪 粗 寻 北 精 度 和 下 放 稳  
定 性 假 设 在 控 制 律 的 变 化 中 只 有 一 次 切 换 如 图 所 示 。  
ꢀ ꢀ  
17 18  
PT O S  
11 13  
制 器 都 得 到 了 广 泛 的 应 用 文 献 [ ]中 详 细 地 阐 述 了 两 类 控  
10  
制 器 之 间 的 差 别 近 些 年 近 时 间 最 优 控 制 器 又 通 过 与 其 他  
文 献 [  
22 23  
19 21  
控 制 理 论 的 结 合 得 到 了 进 一 步 的 发 展  
针 对 二 阶 时 不 变 系 统 提 出 了 一 种 构 造 切 换 时 间 曲 线 的 新 方  
该 方 法 通 过 简 单 的 算 法 来 计 算 切 换 的 次 数 以 及 切 换 的  
时 间 文 献 [ ] 将 这 种 控 制 器 应 用 到  
24  
的 快 速 扫 描  
A F M  
但 是 该 控 制 器 并 没 有 克 服  
控 制 的 抖 振 问  
n - n  
类 似 地 文 献 [ ]针 对 一 类 具 有 虚 特 征 值 控 制 律 受 限  
25  
的 二 阶 系 统 提 出 了 理 论 上 的 时 间 最 优 控 制 器 实 验 结 果 存  
在 明 显 的 控 制 律 抖 振 问 题 传 统 的 鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制 器  
时 间 最 优 轨 迹  
F i .1 T -  ra ects  
已 经 不 再 适 用 于 文 献 [  
22 25  
描 述 的 系 统 同 时 陀 螺 寻 北  
仪 限 幅 系 统 的 数 学 模 型 也 是 一 个 具 有 纯 虚 特 征 值 以 及 控 制  
理 论 上 的 目 标 状 态 为  
律 受 限 的 二 阶 系 统 系 统 模 型 与 文 献 [ ]的 系 统 相 同 与 文  
25  
x tf  
( )  
x tf  
[  
22 24  
描 述 的 系 统 类 似 并 忽 略 了 阻 尼 项 的 影 响 因  
终 端 条 件 可 简 化 为  
ꢀ ꢀ  
需 要 针 对 这 一 类 二 阶 系 统 建 立 鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制 器 。  
J
D
x tf  
tf  
( )  
x
δ  
本 文 为 陀 螺 寻 北 仪 的 限 幅 系 统 设 计 了 一 种 鲁 棒 近 时 间  
式 中 ,  
幅 度 。  
δ
是 一 个 小 正 数 代 表 限 幅 后 的 摆 动  
D D D  
K
最 优 控 制 器 控 制 策 略 由  
控 制 滑 模 控 制 以 及 备  
B
n - n  
份 控 制 组 成 滑 模 控 制 器 的 滑 模 面 设 计 运 用 了 时 间 最 优 的  
控 制 思 想 备 份 控 制 是 为 了 解 决 一 类 特 殊 的 情 况 系 统 在 目  
根 据 文 献 [  
],理 论 上 的 解 析 解 可 表 述 为  
27 29  
标 点 附 近 无 法 满 足  
稳 定 性 要 求 文 中 利 用 一 种 具  
L a unov  
y p  
K
x 2  
u m ax  
s
s
( )  
u
有 线 性 滑 模 面 的 滑 模 控 制 器 作 为 备 份 控 制 器 来 解 决 终 端 不  
鲁 棒 近 时 间 最 优 控  
x 2  
u m ax  
s
s
10 13  
稳 定 性 问 题 而 非 常 规 的  
控 制  
PD  
s n x  
·
·
s
x 2  
D
J
制 的 基 本 思 想 为 设 计 出 的 滑 模 面 将 整 个 相 平 面 分 为 两 个 区  
根 据 系 统 状 态 点 位 于 的 不 同 区 域 控 制 器 执 行 不 同 的 控  
s n x  
s n x  
·
x 1  
( )  
·
·
x 1  
u  
λ
m ax  
式 中 称 作 切 换 线 ;  
D
s
D  
λ
B
K
制 方 法 包 括  
控 制 滑 模 控 制 以 及 备 份 控 制 。  
n - n  
控 制 具 有 时 间 最 优 的 特 性 但 是 由 于 控 制 器  
n - n  
问 题 叙 述  
对 干 扰 误 差 较 为 敏 感 限 制 了 其 应 用 下 面 将 提 出 一 种 鲁 棒  
近 时 间 最 优 控 制 器 来 克 服 这 一 缺 点 。  
为  
26  
陀 螺 寻 北 仪 限 幅 系 统 的 数 学 模 型  
¨
( )  
·
·
·
J
x
D
x
D
u
K
B
鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制  
式 中 表 示 陀 螺 灵 敏 部 等 效 的 转 动 惯 量 ;  
表 示 陀 螺 灵  
J
D
K
假 定 外 界 的 干 扰 以 及 参 数 的 变 化 等 对 系 统 的 影 响 可 以  
敏 部 指 北 力 矩 系 数 ;  
表 示 悬 带 的 扭 力 矩 系 数 是 陀 螺  
x
D
B
用 参 数  
的 随 机 变 化 代 替 是 参 数 的 辨 识 值 。  
定 义 为  
J
J
J
Δ
主 轴 与 真 北 向 的 夹 角 代 表 陀 螺 主 轴 的 方 位 角 代 表 控 制  
u
真 值 与 辨 识 值 的 绝 对 误 差 :  
输 入 限 定 在 一 个 区 间 [  
的 机 械 结 构 决 定 的 。  
u m ax u m ax u m ax  
], 是 由 陀 螺 寻 北 仪  
J
Δ  
( )  
J
J
J
J
Δ  
滑 模 最 优 控 制  
1  
系 统 的 状 态 变 量 定 义 为  
利 用 滑 模 控 制 的 鲁 棒 性 来 实 现 鲁 棒 近 时 间 最 优 控 制 ,  
s= 0  
( )  
x
x
x 2  
ꢀ  
为 滑 模 面 为 了 执 行 滑 模 控 制 等 效 控 制 律 必 须 小 于 控 制  
律 的 上 界 预 留 部 分 控 制 律 当 系 统 受 到 外 界 干 扰 模  
式 中 代 表 方 位 角 代 表 方 位 角 速 度 。  
x x 2  
u m ax  
型 误 差 的 影 响 状 态 轨 迹 偏 离 滑 模 面  
时 间 最 优 控 制 问 题 可 表 述 为  
控 制 器 可 以  
s = 0  
t
f
( )  
 t  
利 用 预 留 的 控 制 律 来 修 正 状 态 轨 迹 使 其 跟 踪 滑 模 面  
因 此 滑 模 面 可 表 述 为  
s = 0  
u
t
s.t.  
·
J
·
s n x  
s
x 2  
D
K
( )  
x t  
( )  
x t  
( )  
·
u t  
( )  
·
s n x  
x u  
s n x  
·
·
x 1  
10  
λ
D
D
K
B
式 中 为 等 效 控 制 律 。  
J
J
u
x x tf  
万方数据  
x t0  
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在 图  
所 示 的 相 平 面 中 将 满 足 条 件  
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