不确定线性时滞系统模型参考自适应控制研究

以具有不确定参数和时滞的线性时滞系统为对象,开展时滞系统的模型参考自适应控制研究。首先利用时滞控制力项的差分方程对系统的状态变量进行增广,将时滞系统动力学方程变为形式上不含有时滞项的增广状态方程。然后根据时滞系统动力学方程和已确定的参数建立相应参考模型,并采用线性二次调节器(LQR)设计参考模型控制律,以保证闭环参考模型系统稳定。最后基于参考模型的LQR控制律,采用基于类观测器的模型参考自适应控制方法设计相应的自适应控制律。因此,针对原时滞系统动力学方程,本文所设计的时滞控制律由LQR控制律和自适应控制律两部分组成。数值仿真结果表明:本文所使用的基于LQR的自适应控制方法在系统参数和时滞不确定的情况下,能够有效地跟踪稳定的参考模型的动力学行为,从而对系统进行控制。该方法可以作为LQR控制方法的有益补充,进一步改善控制系统的动力学行为。     

时滞耦合系统非线性动力学的研究进展

随着对自然界客观规律的深入认识,工程系统设计的精细化和复杂性要求也与日剧增.在许多耦合的动态系统设计过程中要考虑由耦合过程的时滞所引发的动力学行为,该时滞来自于与传感系统、作动系统和控制系统耦合的过程.耦合时滞也广泛存在于交通、系统生物学、电子通讯、神经和信息网络等技术中.本文首先从耦合时滞出发,在以时滞为中心的耦合系统复杂动力学机制、时滞镇定耦合系统的实验基础和实现、快慢变时滞耦合系统动力学和时滞神经网络同步和去同步4个方面,对耦合时滞诱发的动力学研究进展进行综述.着重介绍了时滞耦合系统中耦合时滞诱发的高余维分岔奇异性及新的定量分析方法、中立型时滞微分方程的规范型计算、具有耦合时滞的非线性系统中耦合时滞和非线性参数的辨识方法与实验实现、快慢变时滞耦合系统的张弛振荡、耦合时滞诱发的网络系统的同步模式切换等问题的研究进展;然后在应用方面重点介绍了车床磨削加工过程中耦合时滞诱发的颤振及其机理、具有惯性项和耦合时滞的神经网络系统中耦合时滞诱发的高余维分岔和复杂动力学、时滞动力吸振器与隔振装置的设计与实验实现.最后,从耦合时滞系统的一般性理论和工程应用两个方面展望了近期值得关注的一些问题.     

柔性板的时滞H∞控制的理论与实验研究

以柔性板为对象, 开展时滞H∞控制的理论与实验研究. 首先给出柔性板的时滞动力学方程; 然后利用Lyapunov-Krasovskii泛函和自由权矩阵法, 推导了闭环时滞系统渐近稳定的矩阵不等式;进而根据该矩阵不等式采用参数调节法及遗传算法, 研究了如下两类控制设计问题: 已知控制律求解最大稳定时滞量, 已知最大稳定时滞量求解H∞控制律; 最后对理论研究成果进行了数值仿真和实验验证. 结果显示, 获得的H∞控制律能够有效地抑制板的弹性振动, 所确定出的保证系统稳定性的时滞区间更接近实际情况.      

微系统动力学中的若干非线性问题

微系统是近十多年迅速发展的新兴交叉学科领域.微系统动力学是微系统科学中的重要组成部分.微系统一般具有固有的非线性.本文从建模、分析、设计、控制、实验、测试、材料及制造等几方面归纳了微系统动力学中的若干非线性问题,并对今后的研究方向进行了展望.      

飞行器非线性气动伺服弹性力学

现代飞行器日益呈现结构轻质化、控制系统宽通带和高权限的发展趋势. 因此, 非定常气动力、柔性结构和主动控制系统三者间的耦合力学成为重要的研究领域. 自20世纪80年代起, 航空界开始关注受控飞行器的气动弹性稳定性以及主动控制问题, 但对气动/结构的非线性效应、控制回路时滞对受控飞行器动力学行为的影响规律研究尚不充分. 研究这些影响规律不仅涉及非线性、高维数、多变参数和时滞效应等难题, 而且必须面对空气动力、飞行器结构、驱动机构、控制系统之间的强耦合问题. 其中的前沿难题是: 发展非线性气动伺服弹性动力学建模理论, 揭示上述因素诱发受控气动弹性振动的动力学机理, 开展气动伺服弹性控制风洞实验. 本文针对非线性气动伺服弹性力学所涉及的非线性非定常气动力建模、非线性结构动力学、气动伺服弹性控制律设计、气动伺服弹性实验, 总结相关研究现状和最新进展, 特别是近年来作者学术团队的研究成果, 并对进一步研究给出若干建议.      

柔性机械臂的时滞最优跟踪控制

采用最优跟踪控制方法对柔性机械臂线性化主动控制中的时滞问题进行研究。首先采用一种积分变换,将包含时滞项的动力学方程转换成形式上不包含时滞项的标准形式,然后根据最优跟踪控制理论设计控制律。在每一步控制律的计算中,不但包含有当前步的状态反馈,而且包含有前若干步控制的线性组合。文中还给出了一个模态坐标的提取方法。仿真结果显示,若对时滞不处理,控制系统会在很小时滞量时出现发散;当控制系统中的时滞量不大时,本文的线性化时滞控制设计能够取得较好的控制效果;当系统存在较大时滞量时,线性化时滞控制设计的有效范围是有限的。     

考虑主动时滞的汽车悬架系统控制特性研究

以汽车悬架系统为研究对象,采用理论和试验相结合的方法对考虑主动时滞的悬架系统控制特性进行分析。首先建立含时滞悬架系统动力学模型,分析系统的控制稳定性。理论和仿真结果均表明,采用传统二次型最优控制律不能保证含时滞系统的稳定性。系统时滞量存在稳定区间,时滞超出稳定区间时系统将失稳发散;为了保证控制系统的稳定性,采用状态变换法设计了含时滞系统的主动控制律,计算表明,该控制律可以保证系统稳定性。研究还发现,时滞量的变化会使系统振动幅值产生较大改变,为此在控制系统中引入主动时滞,研究主动时滞对系统振动特性的影响,计算表明,合理的主动时滞可以降低系统振动幅值;为验证结果的正确性,搭建了悬架时滞主动控制试验平台,通过对相同工况下仿真结果与试验结果进行对比,发现两者具有较好的一致性;而由于悬架受到的路面激励具有随机性,采用含时滞系统的主动控制律对路面随机激励下的悬架系统进行控制分析,发现当主动时滞为0.04 s时,车身加速度均方根值比无主动时滞降低了39.4%,说明主动时滞对悬架控制的有效性。本文研究对时滞主动控制的理论研究具有重要的促进作用。     

考虑时滞的主动悬架系统控制策略对比研究全文替换

本文以二自由度四分之一汽车悬架系统为研究对象，采用不同控制策略对考虑时滞的悬架系统控制特性进行研究，并对控制效果进行对比分析．首先，采用第二类拉氏方程建立考虑时滞的二自由度悬架控制系统的动力学模型；然后分别基于状态变换法和H_∞控制理论，设计系统的时滞反馈控制律．其中状态变换法主要通过系统状态变量的转换，将系统时滞控制方程转换成不显含时滞的动力学方程，然后采用传统的二次型最优控制方法对系统进行控制．H_∞控制主要通过使用Lyapunov-Krasovskii泛函和自由权矩阵法，设计考虑时滞的H_∞控制律；最后在Matlab/Simulink平台上对控制系统进行仿真分析，并在相同时滞下对两种控制结果进行对比．研究表明，两种控制策略在考虑时滞的情况下均可保证系统的稳定性，且H_∞控制相比于状态变换法有更好的控制效果．     

时滞非线性悬架系统的混沌动力学特性研究

针对时滞减振控制的非线性悬架系统,建立其二自由度系统的动力学方程。首先,对动力系统进行了数值模拟,通过不同控制参数下系统的动力学行为的分岔图、相轨迹、庞加莱截面、功率谱图来研究时滞非线性悬架系统的混沌动力学行为。研究表明,基于系统参数和外在激励,选择适当的时滞控制参数,可避免系统在运行过程中出现混沌现象,改善系统的运行品质。然后,以主系统幅值均方根为目标函数,对系统进行优化得出减振效果最优时的时滞和反馈增益系数,并与无时滞时非线性悬架系统的主振幅响应进行比较。结果表明,时滞对非线性悬架系统减振和系统品质的改善是能够同时实现的。最后,研究了时滞控制参数变化对系统动力学行为的影响,研究发现,同一系统在不同时滞参数下其分岔形式以及通往混沌的形式具有着多样性,会出现倍周期分岔、Hopf分岔、阵发性分岔以及它们各自通往混沌的不同演化模式,这为实现悬架参数的优化控制提供了理论依据。     

非线性时滞动力系统的研究进展

具有时滞的动力系统广泛存在于各工程领域．本文从动力学角度对时滞动力系统的研究进展作一综述,内容包括时滞动力系统的特点、研究方法、动力学热点问题的研究进展等．由于时滞动力系统的演化趋势不仅依赖于系统的当前状态,还依赖于系统过去某一时刻或若干时刻的状态,其运动方程要用泛国微分方程来描述,解空间是无穷维的．即使系统中的时滞非常小,在许多情况下也不能忽略不计．对于非线性时滞常微分方程,目前的研究思路基本上与常微分方程系统理论相平行．主要研究方法可分为时域法和频域法,前者包括Ｔａｙｌｏｒ级数法,中心流形法,Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射法等,后者包括Ｎｙｑｕｉｓｔ法等．目前对这类系统的动力学研究主要集中在稳定性、Ｈｏｐｆ分岔、混沌等方面．研究表明：时滞动力系统具有非常丰富和复杂的动力学行为,如单变量的一维非线性时滞动力系统可发生混沌现象,与用常微分方程描述的系统有本质性差别．另一方面,人们可巧妙地利用时滞来控制动力系统的行为,如时滞反馈控制是控制混饨的主要方法之一．最后,本文展望了存在的一些问题以及近期值得关注的研究．     

Delayed full-state feedback control of airfoil flutter using sliding mode control method

This paper studies the delayed feedback control of flutter of a two-dimensional airfoil using a sliding mode control (SMC) method. The dynamic equation of airfoil flutter is firstly established using the Lagrange method, in which the cubic hardening spring nonlinearity of pitch stiffness is considered. Then, the state equation with time delay is transformed into a standard state equation with implicit time delay by a special integral transformation. Next a nonlinear time-delay controller is designed using the SMC method. Finally the effectiveness of the proposed controller is verified through numerical simulations. Simulation results indicate that time delay in the control system has significant influence on the control performance. Control failure may happen if time delay is not considered in control design. The time-delay controller proposed is effective in suppressing the airfoil flutter with either small or large control time delay.     

柔性梁受迫振动时滞变结构控制的试验研究

时滞反馈控制是一种利用时滞进行系统控制的策略,目前对该控制策略的研究多是在理论上进行探讨,少有试验研究报道. 以受简谐激励的柔性悬臂梁为对象,开展时滞反馈控制的试验研究,给出了一个多时滞控制律的设计方法. 首先给出悬臂梁系统含有时滞项的控制模态状态方程; 然后对方程进行离散化和一种特殊的状态变量增广,得到形式上不含有时滞项的标准差分方程; 最后使用离散变结构控制的方法设计控制律. 试验中采用压电片作为作动器和外界激励,应变片作为传感器,分别考虑单时滞和双时滞的情况,通过试验验证了时滞反馈控制的可行性和有效性.关键词:柔性悬臂梁;变结构控制;时滞;实验      

Multiplicity-induced optimal gains of an inverted pendulum system under a delayed proportional-derivative-acceleration feedback

This paper studies the stabilization to an inverted pendulum under a delayed proportional-derivative-acceleration (PDA) feedback, which can be used to understand human balance in quiet standing. The closed-loop system is described by a neutral delay differential equation (NDDE). The optimal feedback gains (OFGs) that make the exponential decaying rate maximized are determined when the characteristic equation of the closed-loop has a repeated real root with multiplicity 4. Such a property is called multiplicity-induced dominancy of time-delay systems, and has been discussed intensively by many authors for retarded delay differential equations (RDDEs). This paper shows that multiplicity-induced dominancy can be achieved in NDDEs. In addition, the OFGs are delay-dependent, and decrease sharply to small numbers correspondingly as the delay increases from zero and varies slowly with respect to moderate delays. Thus, the inverted pendulum can be well-stabilized with moderate delays and relatively small feedback gains. The result might be understandable that the elderly with obvious response delays can be well-stabilized with a delayed PDA feedback controller.     

线性时滞系统的离散最优控制

介绍了对线性时滞系统进行最优控制的设计，将具有时滞控制的线性系统离散后引入增广状态向量。获得不显含时滞的差分方程，根据时滞量的两种分类情况采用连续和离散形式的性能指标函数导出了最优控制律。控制律包含当前状态和此前若干步状态向量的叠加，最优控制律直接从时滞方程中得到，可保证系统的稳定性，此方法亦适用于大时滞的情况。数值算例验证了控制策略的有效性。     

Design method of multiple time-delay controller for active structural vibration control

An optimal control method for seismic-excited building structures with multiple time delays is investigated in this paper. The system state equation with multiple time delays is discretized and transformed into a standard discrete form without any explicit time delay by a particular augmenting for state variables. A time-delay controller is then designed based on this standard equation using the discrete optimal control method. Effectiveness of the proposed controller is demonstrated by numerical simulations. Simulation results indicate that a very small time delay may result in the instability of the control system if it is not compensated in the control design. Time delay may be compensated effectively by the proposed controller, in the mean time, an effective control may be obtained. The proposed controller is valid for both small and large time delays.     

Active control for a flexible beam with nonlinear hysteresis and time delay

A new active control method is presented to attenuate vibrations of a flexible beam with nonlinear hysteresis and time delay. The nonlinear and hysteretic behavior of the system is illustrated by the Bouc—Wen model. By specific transformation and augmentation of state parameters, we can convert the motion equation of the system with explicit time delay to the standard state space representation without any explicit time delay. Then the instantaneous optimal control method and Runge—Kutta method in fourth-order are applied to the controller design with time delay. Finally, in order to verify the effectivity of the time-delay controller proposed, numerical simulations are implemented. It is indicated by the simulation results that the control performance will deteriorate if neglect the time delay in process of the controller design and proposed time delay controller works well with both small and large time delay problems.     

Active control of time-delay in cutting vibration

The system dynamics of turning processes can be described by a delay differential equation. How to improve the stability and suppress the vibration of cutting is of an interesting topic. In this paper, a multiple time-delay controller is developed based on discrete optimal control method for the turning vibrations control. Numerical simulations are carried out to verify the efficiency of the controller. Results indicate the designed controller can suppress the cutting vibration efficiently and improve the stability of the cutting processes. The influence of designed time-delay and sampling time on the control performance is also discussed.     

Pure delayed non-fragile control for offshore steel jacket platforms subject to non-linear self-excited wave force

This paper is concerned with pure delayed non-fragile control for an offshore steel jacket platform subject to non-linear self-excited wave force. By purposefully introducing a proper time-delay into control channel, a pure delayed non-fragile controller (DNFC) is proposed to improve performance of the offshore steel jacket platform. The positive effects of time-delays on non-fragile stabilization control for the system are investigated. It is shown through simulation results that (i) the DNFC and the delay-free non-fragile controller are capable of attenuating the vibration of the offshore platform to almost the same level, while the required control force under the DNFC is less than that under the delay-free one; and (ii) both the oscillation amplitudes of the offshore platform and the ranges of the control force under the pure delayed state feedback controller (DSFC) are smaller than the ones under the non-linear controller and the dynamic output feedback controller; and (iii) the oscillation amplitudes of the offshore platform under the DSFC are almost the same as the ones under integral sliding mode controller and the delayed dynamic output feedback controller, while the control force required by the former is less than the one by the latter.