[发明专利]多旋转激励平移振荡器系统非线性耦合自适应控制方法

说明书

一种多旋转激励平移振荡器系统非线性耦合自适应控制方法，属于欠驱动机械系统自动控制技术领域。该方法包括：充分考虑到系统存在未知参数及不确定性因素，引入耦合项构造一种新型的储能函数，设计一种非线性耦合自适应控制方法，增强了系统的暂态性能，实现了多旋转激励平移振荡器(Translational Oscillator with Rotational Actuator，TORA)系统的镇定控制问题，能够使多TORA系统在给定初始位置或受到干扰时能够快速、准确地回到平衡位置并保持稳定，同时，更新律可针对未知参数及不确定性因素对系统带来的影响进行在线补偿。实验结果证明，所提方法具有良好的控制性能。

技术领域

本发明属于欠驱动机械系统自动控制技术领域，特别是涉及一种适用于系统参数未知及受到外界干扰的欠驱动多旋转激励平移振荡器(TranslationalOscillator withRotational Actuator，TORA)系统的非线性耦合自适应控制方法。为简便起见，下文中将旋转激励平移振荡器简称为TORA。

背景技术

现如今，针对欠驱动系统的研究引起了国内外诸多学者的广泛关注^[1],[2]。欠驱动系统所具备的许多优点，比如高灵活性、低能耗、低成本、机械结构简单等，使其广泛应用于机电系统中。但是，欠驱动系统的控制量维数少于待控自由度的个数，这一特性使得欠驱动系统的控制问题难以解决并充满挑战。因此，针对欠驱动系统的研究在理论上与实际上均具有非常重要的意义。

欠驱动TORA系统是一种典型的欠驱动系统，它是用来研究双自旋航天器共振俘获现象的基准系统。单TORA系统的结构可简化为一个做平移运动的台车与一个做圆周运动的转子，其控制目标主要为实现台车位移与转子转角的镇定控制。目前，针对单TORA系统的控制问题，国内外学者提出了诸多控制方法。根据是否需要利用反馈信号，这些控制方法可分为开环控制^[3]-[7]与闭环控制^[8]-[13]两类。然而，开环控制虽然结构简单，无需额外的传感器就可实现预期的控制目标，但却无法实时地反馈系统状态信号，且对参数的不确定性及外界的扰动非常敏感。此时，闭环控制则弥补了开环控制的不足。闭环控制利用系统实时反馈的信号进行在线控制，因此在存在外界干扰的情况下，闭环控制相比于开环控制，能够取得更加良好的控制效果，同时也能够使系统的鲁棒性大幅提升。目前，针对单TORA系统的镇定控制问题，研究人员利用系统的反馈信号设计反馈控制器，提出了多种闭环控制方法。

在单TORA系统的基础上，由多个单TORA系统串联构成的多TORA系统在实际生活中也具有非常广泛的应用。一方面，多TORA系统可用来验证许多先进非线性控制策略的有效性。另一方面，多TORA系统可以用来研究一些重要的物理现象，如机电系统的自同步现象、混沌现象等。例如手持电钻等机电工具在工作时产生强烈的振动，若不进行有效的消振处理，便会对长期使用它的人造成伤害。因此，针对多TORA系统的研究也同样具有理论与实际的双重意义。但是相比于单TORA系统，多TORA系统具有更加复杂的动力学特性，其控制问题更加难以解决。在现阶段，针对多TORA系统的研究依然很少，现有研究可分为两类。一类是为分析自同步现象的产生而对多TORA系统的机械结构进行研究^[14]-[16]。另一类为设计控制策略，实现多TORA系统位移与转角的镇定控制^[17]-[19]。然而，现有的控制方法不足在于需要精确的系统模型，或是所设计的控制器不连续。一方面，在实际的工作环境中系统非常容易受到各种因素的影响，系统各参数往往存在不确定性，比如台车质量未知、转子质量未知、组件尺寸未知等。在这种情况下，现有的基于精确系统模型的方法便不适用。另一方面，控制量不连续会导致系统产生抖振，从而对设备造成损伤。

综上所述，为克服现有方法存在的诸多不足，提升TORA系统的控制效果，亟待设计出一种连续的闭环控制策略，能够在系统参数不确定的情况下，无需系统线性化，充分利用系统状态之间的耦合关系，实现欠驱动多TORA系统的高性能镇定控制。

发明内容