基于Legendre伪谱法的3D刚体摆姿态轨迹跟踪控制

1

作者 戈新生 朱宁 《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第4期619-626,共8页

研究3D刚体摆在有初始扰动情况下的姿态运动最优控制问题。结合3D刚体摆转动的姿态与角速度特点,针对外部扰动设计闭环反馈姿态跟踪控制器。首先,利用Legendre伪谱法规划出3D刚体摆开环的姿态运动轨迹。然后,将系统的运动方程线性化,并... 研究3D刚体摆在有初始扰动情况下的姿态运动最优控制问题。结合3D刚体摆转动的姿态与角速度特点,针对外部扰动设计闭环反馈姿态跟踪控制器。首先,利用Legendre伪谱法规划出3D刚体摆开环的姿态运动轨迹。然后,将系统的运动方程线性化,并以3D刚体摆的实际运动姿态轨迹与参考运动姿态轨迹之间的差值作为控制量,将姿态跟踪问题转换为线性时变系统的姿态调节问题。最后,对基于Legendre伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制的闭环控制方法进行仿真分析,验证在具有初始扰动情况下算法的有效性。 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态控制 最优控制 伪谱法

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基于滑模控制的3D刚体摆姿态稳定性 被引量：4

2

作者 邹奎 戈新生 《动力学与控制学报》 2013年第2期178-181,共4页

研究3D刚体摆姿态稳定性的滑模控制问题.3D刚体摆由一个刚体绕一固定且无摩擦的支点旋转,刚体受到恒重力作用且具有三个转动自由度.针对3D刚体摆平衡位置处的姿态稳定控制问题,设计了滑模控制器并分析了角速度和姿态的渐进稳定性.由Lyap... 研究3D刚体摆姿态稳定性的滑模控制问题.3D刚体摆由一个刚体绕一固定且无摩擦的支点旋转,刚体受到恒重力作用且具有三个转动自由度.针对3D刚体摆平衡位置处的姿态稳定控制问题,设计了滑模控制器并分析了角速度和姿态的渐进稳定性.由Lyapunov直接法找出了各个滑模系数取值的充分条件,并通过数值仿真实验验证了滑模控制方法的有效性. 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态稳定 滑模控制

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基于分层滑模方法的欠驱动3D刚体摆姿态控制 被引量：4

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作者 赵旭 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2014年第6期32-36,59,共6页

以3D刚体摆为研究对象,将地球静止轨道(GEO)航天器简化成3D刚体摆,此模型由一刚体绕一个固定且无摩擦的支点旋转且有3个转动自由度,刚体受恒重力(或万有引力)作用。利用滑模结构方法设计了分层滑模控制器,并用Lyapunov稳定性理论、Filip... 以3D刚体摆为研究对象,将地球静止轨道(GEO)航天器简化成3D刚体摆,此模型由一刚体绕一个固定且无摩擦的支点旋转且有3个转动自由度,刚体受恒重力(或万有引力)作用。利用滑模结构方法设计了分层滑模控制器,并用Lyapunov稳定性理论、Filippov等效定理与Barbalat引理以及推论,详细证明了该控制律的全局渐近稳定性。仿真实验结果表明,该方法能够有效地实现3D刚体摆悬垂和倒立平衡位置处的姿态渐进稳定性控制。 展开更多

关键词 欠驱动 3d刚体摆 分层滑模控制 约化姿态

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基于欧拉四元数的3D刚体摆姿态控制的能量方法 被引量：2

4

作者 王震 戈新生 《力学季刊》 CSCD 北大核心 2014年第1期66-72,共7页

3D刚体摆为一个刚体在重力、扰动和控制力或力矩的作用下绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有三个转动自由度的刚体摆模型.针对3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计问题,给出基于欧拉四元数描述的3D刚体摆的姿态运动方程,证明了系统满足无... 3D刚体摆为一个刚体在重力、扰动和控制力或力矩的作用下绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有三个转动自由度的刚体摆模型.针对3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计问题,给出基于欧拉四元数描述的3D刚体摆的姿态运动方程,证明了系统满足无源性条件,构造了系统的Lyapunov函数,利用能量法设计出3D刚体摆的姿态控制律,并由LaSalle不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性.仿真实验给出了3D刚体摆在悬垂平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性,仿真实验结果表明基于能量方法的3D刚体摆姿态控制是有效的. 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态控制 欧拉四元数 无源性 能量方法

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基于Gauss伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制 被引量：2

5

作者 田鑫 戈新生 《力学季刊》 CSCD 北大核心 2015年第3期442-450,共9页

研究Gauss伪谱法求解3D刚体摆姿态最优控制问题.针对其最优姿态控制问题,既要满足由任意位置运动到平衡位置姿态运动规划问题,又要满足系统含有动力学约束的力学模型问题,提出基于四元数来描述3D刚体摆的数学模型,建立3D刚体摆姿态的动... 研究Gauss伪谱法求解3D刚体摆姿态最优控制问题.针对其最优姿态控制问题,既要满足由任意位置运动到平衡位置姿态运动规划问题,又要满足系统含有动力学约束的力学模型问题,提出基于四元数来描述3D刚体摆的数学模型,建立3D刚体摆姿态的动力学和运动学方程,为了解决3D刚体摆在平衡位置处的姿态最优控制问题,设计基于Gauss伪谱算法的最优姿态开环控制器,得到了3D刚体摆的姿态最优控制轨迹,得到满足的可行解,通过仿真实验验证了其开环解在平衡位置的控制姿态最优性. 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态运动 最优控制 伪谱法

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3D刚体摆非线性动力学姿态特性研究 被引量：1

6

作者 王新娟 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2012年第3期1-5,共5页

研究了3D刚体摆在一般情况和轴对称情况下的姿态动力学特性。通过建立3D刚体摆的动力学方程和运动学方程,利用非线性动力学的方法讨论了轴对称和非轴对称3D刚体摆的姿态运动。通过对两种情形刚体摆模型悬垂平衡位置加小摄动考察其姿态运... 研究了3D刚体摆在一般情况和轴对称情况下的姿态动力学特性。通过建立3D刚体摆的动力学方程和运动学方程,利用非线性动力学的方法讨论了轴对称和非轴对称3D刚体摆的姿态运动。通过对两种情形刚体摆模型悬垂平衡位置加小摄动考察其姿态运动,可以发现在非轴对称情况下3D刚体摆出现混沌运动,在轴对称3D刚体摆情况下出现概周期运动。利用MATLAB进行仿真实验,分别得出非轴对称3D刚体摆的混沌姿态运动曲线和轴对称3D刚体摆的姿态概周期运动曲线,并分别给出庞加莱截面图。 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态动力学 混沌 概周期

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3D刚体摆的鲁棒控制器设计和比较分析 被引量：1

7

作者 李金 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2015年第1期26-30,共5页

3D刚体摆是研究刚体复杂旋转动力学与控制问题的典型系统。针对3D刚体摆受外界扰动以及转动惯量的不确定性,根据鲁棒H∞控制理论,采用线性矩阵不等式(LMI)的方法设计了一种状态反馈H∞控制律。仿真结果表明,鲁棒控制器对系统参数的变化... 3D刚体摆是研究刚体复杂旋转动力学与控制问题的典型系统。针对3D刚体摆受外界扰动以及转动惯量的不确定性,根据鲁棒H∞控制理论,采用线性矩阵不等式(LMI)的方法设计了一种状态反馈H∞控制律。仿真结果表明,鲁棒控制器对系统参数的变化具有较强的鲁棒性。与PID控制器比较,鲁棒控制器对于3D刚体摆控制系统具有较好的动态特性和稳定性。 展开更多

关键词 3d刚体摆 线性矩阵不等式 鲁棒控制 PId控制

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3D刚体摆动力学的离散变分数值方法研究 被引量：1

8

作者 姜夏英 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2012年第2期78-82,96,共6页

利用离散变分的数值积分方法研究3D刚体摆(3 Dimensional rigid pendulum)的姿态动力学数值计算问题。针对3D刚体摆的运动学及动力学方程解的稳定性及其能量、角动量与范数进行了数值仿真。在离散变分方法中引入李群概念,首先对3D刚体... 利用离散变分的数值积分方法研究3D刚体摆(3 Dimensional rigid pendulum)的姿态动力学数值计算问题。针对3D刚体摆的运动学及动力学方程解的稳定性及其能量、角动量与范数进行了数值仿真。在离散变分方法中引入李群概念,首先对3D刚体摆模型的简化形式——球摆做数值求解,然后分别对3D刚体摆的悬垂及倒置两种特殊情况进行数值求解,并将其结果与4阶龙格-库塔方法求解的结果进行比较。从数值仿真实验中可以看出,离散变分的数值积分方法相比龙格-库塔方法具有更高的精度。由此可得出李群离散变分方法具有较好的保结构及保能量特性。 展开更多

关键词 离散变分 龙格-库塔 姿态动力学 3d刚体摆

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3D刚体摆姿态平衡流形的稳定性研究 被引量：1

9

作者 张健丽 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2014年第1期31-36,共6页

针对3自由度(3D,3-Degrees)刚体摆姿态平衡流形的稳定性问题进行了研究。利用3-2-1欧拉姿态角的描述方式建立了3D刚体摆的姿态动力学方程和运动学方程,并对其数学模型进行了姿态约化;由3D刚体摆的约化方程解得了4组彼此不相交的一维平... 针对3自由度(3D,3-Degrees)刚体摆姿态平衡流形的稳定性问题进行了研究。利用3-2-1欧拉姿态角的描述方式建立了3D刚体摆的姿态动力学方程和运动学方程,并对其数学模型进行了姿态约化;由3D刚体摆的约化方程解得了4组彼此不相交的一维平衡流形,对3D刚体摆的姿态平衡流形进行了讨论,并绘出其在球面的平衡流形图,利用李亚普诺夫一次近似理论讨论了这4组平衡流形的稳定性,得出结论:3D刚体摆一维平衡流形为李亚普诺夫意义下不稳定,计算机仿真验证了这一结论。 展开更多

关键词 3d刚体摆 平衡流形 李亚普诺夫一次近似理论 稳定性

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3D刚体摆姿态稳定性的自适应滑模控制 被引量：2

10

作者 边珺 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2014年第3期33-37,共5页

针对3D刚体摆的倒立平衡位置处的姿态稳定性问题,考虑系统的惯量不确定性,根据3D刚体摆的约化姿态模型建立滑模面,设计相应滑模控制器,并引入自适应滑模控制,用于处理参数模型不确定的情况。李雅普诺夫稳定性分析表明提出的自适应滑模... 针对3D刚体摆的倒立平衡位置处的姿态稳定性问题,考虑系统的惯量不确定性,根据3D刚体摆的约化姿态模型建立滑模面,设计相应滑模控制器,并引入自适应滑模控制,用于处理参数模型不确定的情况。李雅普诺夫稳定性分析表明提出的自适应滑模控制律能够确保3D刚体摆姿态控制系统渐近稳定。仿真实验验证了方法的有效性。 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态控制 自适应控制 滑模控制

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3D刚体摆位置伺服系统PID控制研究 被引量：1

11

作者 刁兆江 厉虹 李金 《电气工程学报》 2016年第10期37-43,共7页

3D刚体摆是研究复杂刚体动力学与控制问题的典型位置伺服系统。永磁同步电机驱动执行机构产生控制力矩,使3D刚体摆在运动过程中的姿态误差减小,稳定在指定姿态位置。本文基于Matlab构造了3D刚体摆数学模型,以3D刚体摆实验平台为依托,利... 3D刚体摆是研究复杂刚体动力学与控制问题的典型位置伺服系统。永磁同步电机驱动执行机构产生控制力矩,使3D刚体摆在运动过程中的姿态误差减小,稳定在指定姿态位置。本文基于Matlab构造了3D刚体摆数学模型,以3D刚体摆实验平台为依托,利用PID策略对永磁同步电机的输出转矩和3D刚体摆的姿态进行控制,得到3D刚体摆姿态控制曲线。实验结果表明,系统的动态性能指标符合要求,PID控制对3D刚体摆复杂系统的控制是有效的。 展开更多

关键词 3d刚体摆 PId控制 位置伺服系统 永磁同步电机

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基于3D刚体摆的模糊控制器的设计与试验研究 被引量：1

12

作者 刁兆江 厉虹 《电机与控制应用》 2018年第1期35-40,共6页

基于MATLAB构造3D刚体摆数学模型,以3D刚体摆试验平台为依托,利用模糊控制或模糊控制与P控制策略相结合,对永磁同步电机(PMSM)和3D刚体摆姿态进行控制,并通过LABVIEW软件对模糊控制算法编程设计,上位机实时监测摆控制曲线。试验结果表... 基于MATLAB构造3D刚体摆数学模型,以3D刚体摆试验平台为依托,利用模糊控制或模糊控制与P控制策略相结合,对永磁同步电机(PMSM)和3D刚体摆姿态进行控制,并通过LABVIEW软件对模糊控制算法编程设计,上位机实时监测摆控制曲线。试验结果表明模糊控制在实际工程中对3D刚体摆系统的控制具有有效性。 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态控制 伺服系统 模糊控制

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欠驱动3D刚体摆姿态稳定的退步控制

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作者 袁萍萍 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2016年第2期59-64,共6页

在欠驱动条件下3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计过程中,将其系统状态分为运动学和动力学2个子系统,采用退步控制方法,分别设计控制律。根据李雅普诺夫方法对中间控制律进行设计,并推算出最终控制律,最终使欠驱动3D刚体达到渐近稳定平... 在欠驱动条件下3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计过程中,将其系统状态分为运动学和动力学2个子系统,采用退步控制方法,分别设计控制律。根据李雅普诺夫方法对中间控制律进行设计,并推算出最终控制律,最终使欠驱动3D刚体达到渐近稳定平衡。数值仿真实验结果验证了所设计控制律的可行性。 展开更多

关键词 3d刚体摆 欠驱动 退步控制 中间控制律 仿真

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基于T-S模糊模型的3D刚体摆姿态控制 被引量：3

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作者 厉虹 邹奎 《控制与决策》 EI CSCD 北大核心 2013年第12期1786-1790,1798,共6页

3D刚体摆的倒立平衡点附近具有不稳定的流形,针对倒立平衡位置的姿态稳定性问题,建立T-S模糊模型,并采用并行分布补偿(PDC)法和线性矩阵不等式(LMI)法探讨了闭环T-S模糊控制系统的稳定性.仿真实验表明,T-S模糊控制对3D刚体摆倒立平衡位... 3D刚体摆的倒立平衡点附近具有不稳定的流形,针对倒立平衡位置的姿态稳定性问题,建立T-S模糊模型,并采用并行分布补偿(PDC)法和线性矩阵不等式(LMI)法探讨了闭环T-S模糊控制系统的稳定性.仿真实验表明,T-S模糊控制对3D刚体摆倒立平衡位置处的姿态控制是可行和有效的. 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态控制 T-S模糊模型 PdC法

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基于李群离散变分积分子3D摆姿态动力学研究 被引量：1

15

作者 白龙 戈新生 《北京信息科技大学学报（自然科学版）》 2013年第3期14-18,共5页

主要研究了作为地球静止轨道卫星简化模型的3D刚体摆的离散变分积分子求解方法。基于常微分方程的连续求解方法无法保持总能量的计算值在长时间仿真中守恒,导致计算的失真;而离散方法不存在误差积累的问题,故系统的能量能在长时间仿真... 主要研究了作为地球静止轨道卫星简化模型的3D刚体摆的离散变分积分子求解方法。基于常微分方程的连续求解方法无法保持总能量的计算值在长时间仿真中守恒,导致计算的失真;而离散方法不存在误差积累的问题,故系统的能量能在长时间仿真中守恒,从而保证系统动力学参数的计算值在长时间的仿真中保持稳定。基于李群的离散变分积分子不需要添加约束条件便可保证系统几何结构的守恒,且有较高的计算效率。仿真结果表明:在李群离散变分积分子算法下,处于地球静止轨道上的3D刚体摆的能量,动量及几何结构的计算值都可保持恒定。 展开更多

关键词 离散变分积分子 3d刚体摆 能量守恒 动量守恒 李群

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基于修正型罗德里格斯参数的三维刚体摆姿态控制 被引量：1

16

作者 田鑫 戈新生 《力学与实践》 北大核心 2015年第3期361-366,共6页

3D刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型,它绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有3个转动自由度.文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues)参数描述的3D刚体摆的姿态动力学方程,针对3D刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设... 3D刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型,它绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有3个转动自由度.文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues)参数描述的3D刚体摆的姿态动力学方程,针对3D刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设计问题,基于无源性控制理论利用能量法设计了3D刚体摆的系统控制器,并证明了系统满足无源性.构造了系统的李雅普诺夫(Lyapunov)函数,利用能量法设计出3D刚体摆的姿态控制律,并由拉萨尔(La Salle)不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性.仿真实验给出了3D刚体摆在倒立平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性,仿真实验结果表明基于能量方法的3D刚体摆姿态控制是有效的. 展开更多

关键词 3d刚体摆 姿态控制 修正型罗德里格斯参数 无源性 能量方法

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