非稳恒仿射运动学约束的非完整控制系统研究

This project studies the problem of nonholonomic control systems with rheonomous affine kinematic model constraints. For the kinematic system with rheonomous affine constraints, it will be further converted by constructing the nonlinear transformation. On this basis we will discuss its controllability, explore the possibilities of realizing the nonholonomic chained system with the similar nonlinear drifts, and further design the stabilization and tracking controller. When the kinematic system has the affine or rheonomous affine constraints and the dynamic system possesses the uncertainties, by using the finite time control method we will design the finite time convergence tracking controller to achieve the tracking control of the kinematic system. When the kinematic system can be tranformed into the nonholonomic chained system with nonlinear uncertainties and the dynamic system possesses the uncertainties, via a nonlinear construction, we will apply the input-to-state stable(ISS) method to design the stabilization and tracking controller. We will investigate the nonholonomic system whose kinematic constraint is partially integrable, by using the differential-algebraic control system theory, to achieve the stabilization and tracking control objective via state and output feedback. Combining the nonholonomic chained system with nonlinear drifts and the dynamic system, which viewed the generalized velocity and the moment as control input respectively, we study the stabilization and tracking control problem. Moreover, in this research project, we will analyse and solve the modelling as well as the control problem for some practical systems.

本课题研究具有非稳恒仿射约束的非完整系统控制问题。对非稳恒仿射约束的运动学模型, 通过构造非线性变换, 进一步转化系统模型, 研究系统的能控性, 探索实现具有类似于非线性飘逸的链式系统, 进行镇定控制和跟踪控制器的设计. 对仿射约束或非稳恒仿射约束的运动学系统, 在动力学系统具有不确定的条件下, 应用有限时间控制器设计方法, 设计有限时间收敛的跟踪控制器, 实现运动学模型的跟踪. 对运动学模型能够化为带非线性不确定的链式结构的非完整系统, 在动力学系统具有不确定的条件下, 通过非线性构造, 应用输入到状态稳定的控制方法, 设计镇定控制器和跟踪控制器. 研究运动学约束是部分可积的非完整系统, 应用微分-代数控制系统理论, 结合以广义速度为输入量的具有非线性飘逸的链式非完整系统模型和力矩输入的动力学模型, 研究其镇定问题, 跟踪问题,分析解决一些实际系统的建模与控制问题.

本课题研究具有非稳恒仿射约束的非完整系统控制问题. 研究系统的建模、控制系统设计与分析, 通过非线性变换的构造, 设计镇定控制和跟踪控制器. .对具有随机干扰的柔性连接机器人操作臂系统，进行了物理建模，给出了新的动力学模型和运动学约束方程. 针对流速变化的船舶运动系统，给出了建模方法及运动学和动力学模型. 对在变速旋转转台上飞轮运动系统、无级变速摩擦圆盘运动学系统、船载机器人操作系统、变绳长航吊系统等，建立了非稳恒仿射约束的运动学模型.. 对具有非稳恒仿射运动学约束的非完整系统及有非线性不确定漂移项的非完整系统, 应用非线性变换, 把系统转化成含有漂移项的一般非线性系统，设计出内部状态跟踪控制器, 分析系统的全局渐近稳定性和收敛性.对一般的非线性漂移的链式非完整系统, 通过切换控制方法, 解决了全局渐近稳定控制器设计问题. 针对研究的非完整系统及相应的非线性系统, 考虑了含滞后的情况、具有随机干扰的情况、以及有限时间镇定控制器问题. 对具有不确定性与随机干扰的链式非完整系统，通过非线性构造技术，给出了自适应跟踪控制器设计. 针对流速变化的船舶运动系统，研究了仿射约束与欠驱动条件下的跟踪控制问题研究, 给出了建模方法及运动学和动力学模型，并提出了内部状态跟踪控制设计方法，设计出符合实际背景的全局渐近跟踪控制器. 对具有二阶约束的欠驱动非完整系统, 以船舶欠驱动系统模型为主, 探讨了在非对称惯性和阻尼矩阵的条件下的跟踪控制器设计, 建立了运动学和动力学系统模型, 并应用提出的内部状态跟踪控制器方法, 设计了全局渐近跟踪控制器. 针对具有不确定的仿射约束非完整系统, 利用有限时间控制方法设计了有限时间状态反馈镇定控制器..研究成果发表在SCI学术刊物论文40篇， EI刊物10篇， 国内外重要学术会议10篇。主要刊物有：IEEE TAC ，J of Franklin Institute，Nonlinear Dynamics，IET Control Theory and Applications，Int. Journal of Control，ISA Transactions，Int. Journal of Adaptive Control and Signal Processing，Int. Journal of Systems Science等.