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科研动态

研究欠驱动系统,推进工业信息化

  • 永利集团:2007-06-08 【 【打印】【关闭】
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    欠驱动系统是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统,在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。欠驱动系统结构简单,便于进行整体的动力学分析和试验。同时由于系统的高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等原因,欠驱动系统又足够复杂,便于研究和验证各种算法的有效性。当驱动器故障时,可能使完全驱动系统成为欠驱动系统,欠驱动控制算法可以起到容错控制的作用。从控制理论的角度看,欠驱动系统控制输入的限制是具有挑战性的控制问题,研究欠驱动机械系统的控制问题有助于非完整约束系统控制理论的发展。桥式吊车、Pendubot (Pendulum Robot)Acrobot (Acrobat Robot)、倒立摆系统都是典型的欠驱动系统。

     

     欠驱动系统控制问题已成为国际控制理论领域研究的热点问题之一。在我们自动化所就有着这样一个紧跟国际前沿,深入研究欠驱动系统控制问题的科研团队——智能控制理论与方法研究组。该研究组隶属于复杂系统与智能科学院重点实验室。在研究组负责人易建强研究员和赵冬斌副研究员的带领下,该研究组目前共有研究生20人,从事着智能控制方法、滑模变结构控制方法、桥式吊车控制系统、移动机械手系统、煤气化发电与甲醇联产仿真系统、船舶自动舵智能控制系统等方向的研究;承担着973项目、国家自然科学基金委面上项目、中科院海外杰出学者基金、科技部国际科技合作重点项目、国家自然科学基金委国际合作局两个基地项目以及若干横向项目的科研工作。

     

     针对欠驱动系统的控制问题,智能控制理论与方法研究组提出了一种单一输入规则群动态加权模糊推理模型;提出了一种融合遗传算法和模糊神经网络的体操机器人Acrobot控制方法;提出了一种聚合式分层递阶结构的滑模控制方法,同时从理论上给出了各层滑模平面均渐近稳定的判定定理;提出了一种增量式分层递阶结构的滑模控制方法,并且从理论的角度对各层的稳定性进行了分析,给出系统稳定的充分条件;提出了一种针对非确定欠驱动系统的串级模糊滑模控制方法。相关研究成果得到了国内外同行的高度认可,所撰写的学术论文多发表于国际主流学术期刊和权威学术会议中,如《Fuzzy Sets and Systems》,《IEE Proceedings of Control Theory and Applications,Transactions of the Institute of Measurement and Control》,《Mechatronics》,《American Control Conference 2004》,《American Control Conference 2005》,《IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2005》,《IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2006》等。

     

     科学技术是第一生产力,理论知识向生产力的转化必须找到最佳的结合点,以满足国民经济发展的需求。桥式吊车就是一种典型的欠驱动系统,广泛应用于货场、码头、车间以及建筑工地。桥式吊车的作用就是要在短时间内将某个重物从其初始位置搬运到目的位置,同时要使重物的摆角在整个搬运过程中及到达目的位置时尽可能小。前者是针对效率而言,后者则是针对安全性而言。如果摆动幅度太大,重物可能会碰撞上其他设备,造成损害。若所吊之物是液体,摆幅太大还将造成液体溢出。再加上操作人员必须在高处的操作室中操作吊车,因此操作吊车是一项十分重要而又危险的工作。目前,桥式吊车的控制多依靠熟练操作工人进行。单纯依靠人工控制,难以进行高精读的吊装,而且在安全生产方面也存在着重大的安全隐患。

     

     针对桥式吊车系统自动化程度低的现状,该研究组设计了一套试验平台,进行从理论到实践的探索。此套试验装置采用了PC+数控功能板型硬件结构,选用美国Delta Tau公司于多轴运动控制器PMAC作为桥式吊车控制系统的伺服控制器,实现了一维、二维桥式吊车的定位和防摆控制,取得发明专利4项。其中,发明的摆角测量装置结构简单,成本低,精度高,具有广泛的实际应用前景。此项研究成果为实现桥式吊车的无人驾驶,提升传统产业的工作效率和安全性奠定了进一步研究的基础。谈及该项目的应用前景,研究组负责人易建强研究员充满信心地说:“实现桥式吊车的定位和防摆控制只是万里长征的第一步,在此基础上,结合路径规划技术,最终实现桥式吊车的无人驾驶,并取得比人工驾驶更好的控制效果,以提高运输效率和安全性,拓宽桥式吊车的用途。可以预见,桥式吊车自动控制系统的研究,对以信息化带动工业化和实现传统产业的升级改造,具有重要的理论意义和现实意义。”

     

    雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”,我们坚信,在易建强研究员和赵冬斌副研究员的带领下,在全体研究生的共同努力下,智能控制理论与方法研究组必将在欠驱动系统控制的研究中取得新的更大的贡献;必将为我们自动化研究所控制理论学科的发展做出新的更大的贡献;必将为以信息化带动工业化和实现传统产业的升级改造,做出新的更大的贡献!

     

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