消除时滞和抑制扰动的农用车辆自主导航控制方法研究

发布时间：2020-04-29 10:05

【摘要】：本文以农用车辆自主导航中的车辆控制为研究内容,以农用车辆的运动学模型为具体的研究框架,讨论系统在预估模型下,农用车辆自主导航控制的跟随效果及抗干扰能力。同时在控制模型的基础上,利用整数阶和分数阶PID控制方法及扰动观测器DOBC等具体技术手段对农用车辆导航作业控制过程中的时滞和多源扰动进行实时优化控制。本文采用ITAE性能指标作为评价标准,力求对于试验效果评价的科学有效性。本文主要研究内容如下:1.选择农用车辆自主导航路径跟踪控制系统的二轮车模型作为其运动学模型。在此模型的基础上,对车辆导航系统参数进行局部改进,分析和讨论不确定时滞环节和多源扰动对农用车辆自主导航控制系统性能的影响。2.给出了农用车辆自主导航路径跟踪控制系统时滞抑制方法。在控制过程中,不确定的时滞环节往往是造成系统不稳定的关键因素,一些先进的时滞环节处理方法得到了有效的发展与研究。本文分析了时滞环节对农用车辆自主导航系统稳定性造成的不利影响,同时基于ITAE性能指标,分别利用整数阶PD控制器和分数阶PD控制器的整定方法对控制系统进行分析设计,给出了更为有效的控制机制。3.分析了基于模型误差的内部扰动对系统控制性能的影响。研究了在假设农田环境较为平坦、拖拉机前进速度恒定,且不考虑轮胎与地面的侧向滑动情况下的农用拖拉机直线跟踪系统运动学模型。由于车辆运动学模型本身存在的非线性,若直接对其进行控制器的设计,难度较大。且针对非线性系统设计的控制器很难实现。因此在横向偏差和转向角较小的情况下,可将车辆运动学模型在平衡点附近进行线性化,忽略模型中的高次项,不考虑余项。以此为基础,利用现代控制理论中极点配置的方法,设计线性反馈控制器。在反馈控制器作用下,系统的动态性能与稳态性能令人满意。而对于原来的非线性系统模型,控制系统无法获得满意的控制性能。将农用车辆自主导航控制系统在建模过程中产生的静态误差,以及在模型线性化过程中忽略的高次余项,车辆运行过程中模型参数发生变化导致的动态误差等模型误差视作系统的内部扰动。将线性反馈控制作为系统的外环,实验表明,单纯的外环线性控制不足以消除系统模型的不确定性。4.讨论了外部扰动对系统控制性能的影响。单纯利用控制器等被动手段补偿扰动是不经济且不可靠的。因此本文基于干扰主动抑制的思想,利用扰动观测器技术,对不确定的扰动进行观测、估计,并对其进行有针对性的前馈补偿。将农业作业环境对车辆导航产生的影响视为外部扰动,如道路的起伏、过沟坎时车辆产生的颤动、随机的外部噪声干扰。本文采用扰动观测器的内环控制方式,将内部扰动和外部扰动进行估计和滤波,然后通过前馈补偿,消除干扰的影响。试验结果表明:引入扰动观测器可以有效观测和估计系统的不确定性,增强系统主动补偿扰动的能力,增加系统的鲁棒稳定性,提高系统的路径跟踪精度。5.建立农用车辆自主导航路径跟踪控制系统对不确定扰动的主动抑制和补偿方法。实现控制系统外环控制与内环控制的有机结合。本文根据状态空间法,利用极点配置方法设计外环线性反馈控制器,利用扰动观测器的技术手段设计内环扰动观测器。实验表明,针对控制系统存在的多源扰动,本文所提出的内外环分层控制方式可以有效抑制多源扰动对控制系统造成的影响,实现农用车辆路自主导航路径跟踪控制系统针对多模型及不确定性的进一步研究。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S22;TP273

【参考文献】