电子-气动式稳定系统的自适应鲁棒控制及其耦合控制参数的边界迁移现象与协调机理研究

基于气动肌肉的电子-气动式稳定系统作为新原理的机构形式，将丰富稳定系统的种类、大大降低稳定系统的应用成本。但是，时变非理想映射造成稳定系统控制性能发生漂移、在自适应鲁棒控制器中对载体运动干扰进行精确补偿、具有较大观测噪声和观测野值情况下输出信号的高精度滤波、耦合控制参数的保守取值等问题有待深入研究。本项目将通过建立载体位姿的状态观测器，优化高速开关阀的载波频率和气动肌肉充放气口的机械结构，与卡尔曼滤波算法结合来设计基于直接/间接复合自适应鲁棒算法的级联控制器，来提高随遇调平精度和增强对风载荷、观测噪声等干扰的鲁棒性，实现在随机海浪和随机风载荷工况下稳定系统的高精度随遇调平控制；并通过构建自适应鲁棒控制器中各层子系统在随机干扰下拟哈密顿系统的等效非线性系统，采用非线性随机控制理论来探索耦合控制参数的边界迁移现象，获取控制参数的保守取值，建立各层子系统内部和不同层子系统之间控制参数的协调机制。

本课题提出一种新原理的基于气动肌肉的电子-气动式稳定系统，以实现该稳定系统在随机载体干扰、随机风载荷、测量噪声等各种工作干扰和较强参数不确定以及非线性不确定情况下的高精度自适应鲁棒随遇调平控制及控制器的参数协调机理为研究目标。课题的主要研究内容和成果有：（1）在综合研究单根气动肌肉模型以及改善其充放气口动态响应的方法、高速开关阀流量模型、并联机构动力学、多坐标系位姿变换等关系的基础上，建立了基于气动肌肉的电子-气动式稳定系统末端平台的非线性动力学模型，探索各模型参数和随机载体干扰对系统性能的影响规律。（2）提出了集成载体干扰观测技术、自适应抗野值卡尔曼滤波技术和直接/间接自适应鲁棒控制技术的滤波-观测-控制综合的随遇调平方法来有效处理因稳定系统未知负载、末端位姿时变非理想映射和难以检测的载体干扰等引起的各种不确定，实现较好的调平结果，并具有较强的抗干扰性能。（3）为进一步扩展研究用于强非线性系统的自适应鲁棒控制器及其参数协调机理的适用性，提出了多功能主被动控制的气动-磁流变隔振系统。在整理磁流变阻尼元件的发展历程与研究现状的基础上，提出了气动-磁流变隔振系统的无量纲分层型优化和设计方法，以及磁流变阻尼控制阀的解析最优设计方法。（4）针对气动-电子式稳定系统和气动-磁流变隔振系统等强非线性机电系统，分析闭环各层子系统和不同子系统之间综合的动力学模型，通过构建系统李雅普诺夫函数，理论上分析了自适应鲁棒随遇调平控制器中不同的设计参数对调平误差性能的影响，并给出了控制器设计参数的协调机制和优化选取原则。所提出的随机干扰下的自适应鲁棒随遇调平方法及其耦合控制参数的协调机理，为复杂机电系统的有效控制器设计和控制参数的选取方法提供理论支撑，具有重要的现实意义。