消除時(shí)滯和抑制擾動(dòng)的農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航控制方法研究.pdf

1、本文以農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航中的車輛控制為研究?jī)?nèi)容，以農(nóng)用車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為具體的研究框架，討論系統(tǒng)在預(yù)估模型下，農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航控制的跟隨效果及抗干擾能力。同時(shí)在控制模型的基礎(chǔ)上，利用整數(shù)階和分?jǐn)?shù)階PID控制方法及擾動(dòng)觀測(cè)器DOBC等具體技術(shù)手段對(duì)農(nóng)用車輛導(dǎo)航作業(yè)控制過程中的時(shí)滯和多源擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。本文采用ITAE性能指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，力求對(duì)于試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)的科學(xué)有效性。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.選擇農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航路徑跟

2、蹤控制系統(tǒng)的二輪車模型作為其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在此模型的基礎(chǔ)上，對(duì)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行局部改進(jìn)，分析和討論不確定時(shí)滯環(huán)節(jié)和多源擾動(dòng)對(duì)農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)性能的影響。
　　2.給出了農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航路徑跟蹤控制系統(tǒng)時(shí)滯抑制方法。在控制過程中，不確定的時(shí)滯環(huán)節(jié)往往是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，一些先進(jìn)的時(shí)滯環(huán)節(jié)處理方法得到了有效的發(fā)展與研究。本文分析了時(shí)滯環(huán)節(jié)對(duì)農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的不利影響，同時(shí)基于ITAE性能指標(biāo)，分別利用整

3、數(shù)階PD控制器和分?jǐn)?shù)階PD控制器的整定方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，給出了更為有效的控制機(jī)制。
　　3.分析了基于模型誤差的內(nèi)部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。研究了在假設(shè)農(nóng)田環(huán)境較為平坦、拖拉機(jī)前進(jìn)速度恒定，且不考慮輪胎與地面的側(cè)向滑動(dòng)情況下的農(nóng)用拖拉機(jī)直線跟蹤系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。由于車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型本身存在的非線性，若直接對(duì)其進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，難度較大。且針對(duì)非線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器很難實(shí)現(xiàn)。因此在橫向偏差和轉(zhuǎn)向角較小的情況下，可將車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)

4、模型在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化，忽略模型中的高次項(xiàng)，不考慮余項(xiàng)。以此為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代控制理論中極點(diǎn)配置的方法，設(shè)計(jì)線性反饋控制器。在反饋控制器作用下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能令人滿意。而對(duì)于原來的非線性系統(tǒng)模型，控制系統(tǒng)無法獲得滿意的控制性能。將農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)在建模過程中產(chǎn)生的靜態(tài)誤差，以及在模型線性化過程中忽略的高次余項(xiàng)，車輛運(yùn)行過程中模型參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)誤差等模型誤差視作系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)。將線性反饋控制作為系統(tǒng)的外環(huán)，實(shí)驗(yàn)

5、表明，單純的外環(huán)線性控制不足以消除系統(tǒng)模型的不確定性。
　　4.討論了外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。單純利用控制器等被動(dòng)手段補(bǔ)償擾動(dòng)是不經(jīng)濟(jì)且不可靠的。因此本文基于干擾主動(dòng)抑制的思想，利用擾動(dòng)觀測(cè)器技術(shù)，對(duì)不確定的擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)、估計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的前饋補(bǔ)償。將農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境對(duì)車輛導(dǎo)航產(chǎn)生的影響視為外部擾動(dòng)，如道路的起伏、過溝坎時(shí)車輛產(chǎn)生的顫動(dòng)、隨機(jī)的外部噪聲干擾。本文采用擾動(dòng)觀測(cè)器的內(nèi)環(huán)控制方式，將內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)和

6、濾波，然后通過前饋補(bǔ)償，消除干擾的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:引入擾動(dòng)觀測(cè)器可以有效觀測(cè)和估計(jì)系統(tǒng)的不確定性，增強(qiáng)系統(tǒng)主動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)的能力，增加系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的路徑跟蹤精度。
　　5.建立農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航路徑跟蹤控制系統(tǒng)對(duì)不確定擾動(dòng)的主動(dòng)抑制和補(bǔ)償方法。實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)外環(huán)控制與內(nèi)環(huán)控制的有機(jī)結(jié)合。本文根據(jù)狀態(tài)空間法，利用極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)外環(huán)線性反饋控制器，利用擾動(dòng)觀測(cè)器的技術(shù)手段設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)擾動(dòng)觀測(cè)器。實(shí)驗(yàn)表明，針對(duì)控制系統(tǒng)存在的多源