路谱扰动下车载伺服系统的分数阶建模和控制研究

The vehicle servo system has wide application in both civil and martial fields. For vehicle servo system with great load can't adopt stable platform to segregate road surface roughness, integral-order model hardly accurately describe the dynamical characteristic under road surface roughness, so common control methods hardly receive perfect control results. However the fractional-order model can accurately describe the time-frequency characteristic of system, and fractional-order algorithms own more degrees of freedom and better robustness. So in this project, fractional-order modeling and control methods will be proposed for mobile servo systems under road surface roughness. Based on obtaining the disturbance rule of vehicle servo system in moving, the fractional-order model is made for vehicle servo system and the nonlinear parts are accurately described such as backlash, dead-time, et al. Based on road surface disturbance rule, the road surface roughness prediction and control compensated method is proposed. And then it combines with multi-mode switch control idea to propose multi-mode fractional-order switch algorithm. It combines with fuzzy control idea to propose fuzzy fractional-order algorithm. Considering the condition of uncertain parameters and time-delay in vehicle system, corresponding fractional-order control methods are presented. Lastly, the actual hardware controllers are designed and quick digital realizing method is designed for fractional-order algorithms. The study of this project can well solve the difficult problem of high precision control for vehicle servo system. Meanwhile this theory can be applied in many ship-borne and air-borne servo systems.

车载伺服系统广泛应用于民用和军用领域。由于大负载车载系统无法采用稳定平台等方式隔离路谱扰动，整数阶模型难以准确描述其路谱影响下的动力学特性，导致常用算法控制精度不高。而分数阶模型对系统时频特性描述准确，分数阶算法参数选择自由度多、鲁棒性好，因此本项目采用分数阶模型和控制方法对路谱扰动下车载伺服系统进行研究。在探究行进间路谱对车载系统扰动规律的基础上，建立车载系统的分数阶模型，精确描述路谱影响下的齿隙、死区等非线性环节。基于路谱扰动传递规律，提出路谱扰动预测和控制量补偿算法，并将其与多模态切换思想结合提出多模态分数阶切换算法，与模糊控制思想结合提出模糊分数阶算法。针对系统含不确定参数和存在时延的情况，提出相应的分数阶控制算法。同时设计分数阶控制器硬件系统，解决分数阶算法的快速数字化实现问题。本项目的研究将较好解决车载伺服系统行进间高精度控制的难题，同时该理论也可推广应用于舰载、机载伺服系统。

课题组围绕行进间伺服系统的分数阶控制中的关键问题展开研究。按照研究计划，完成了预期的研究内容。在分数阶控制算法、控制器参数辨识算法及分数阶算法应用等方面取得了一系列阶段性的研究结果。在分数阶控制算法方面，利用稳定裕度法提出了增益鲁棒分数阶控制算法；针对时滞系统设计了分数阶控制器，对外部干扰提出了基于干扰观测器的分数阶补偿控制方法；并提出了分数阶控制器的数字化实现方法。在分数阶控制器的参数整定算法方面，提出了基于改进粒子群算法的分数阶控制器参数的自整定方法；分别针对分数阶被控对象和时滞分数阶被控对象，采用幅值裕度与相角裕度法提出了参数辨识算法，并使用Matlab优化工具箱提供的fmincon函数对控制器参数进行整定。在行进间伺服系统的仿真建模方面，基于虚拟现实技术和OpenSceneGraph三维渲染算法，并与多体动力学软件RecurDyn设计的车体动力学模型相结合，构建了全系统的仿真模型，有效地实现了路谱扰动数据复现和分数阶算法控制效果的直观呈现；提出了基于浮点型DSP的运动载体姿态倾角测量方法及装置，并申请了专利。在分数阶算法应用方面，分别将分数阶建模和控制方法应用于PEMFC(质子交换膜燃料电池)电源系统和混沌系统中。依托本课题总计发表学术论文18篇，其中EI收录论文14篇。本项目共计获得发明专利授权1项，实用新型授权1项，另有申请发明专利3项，正在公示期。论文发表和专利授权的完成情况达到预期，所提出的伺服系统速度环快速补偿算法已在实际伺服系统中获得应用。在学术国内外交流方面，在2013年至2015年均参加了中国控制会议（CCC），参与非线性控制分组会议的学术交流。在2015年课题负责人和硕士研究生还参加了在江苏常熟召开的ICCAIS国际会议，课题负责人作为ICCAIS会议分组主席主持了非线性控制组的学术讨论。在人才培养方面，依托本课题培养了博士后1名，博士研究生1人，硕士研究生11人。