消除時滯和抑制擾動的農(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內(nèi)容，以農(nóng)用車輛的運動學(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。同時在控制模型的基礎(chǔ)上，利用整數(shù)階和分數(shù)階PID控制方法及擾動觀測器DOBC等具體技術(shù)手段對農(nóng)用車輛導(dǎo)航作業(yè)控制過程中的時滯和多源擾動進行實時優(yōu)化控制。本文采用ITAE性能指標作為評價標準，力求對于試驗效果評價的科學(xué)有效性。本文主要研究內(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動學(xué)模型。在此模型的基礎(chǔ)上，對車輛導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)進行局部改進，分析和討論不確定時滯環(huán)節(jié)和多源擾動對農(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)時滯抑制方法。在控制過程中，不確定的時滯環(huán)節(jié)往往是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，一些先進的時滯環(huán)節(jié)處理方法得到了有效的發(fā)展與研究。本文分析了時滯環(huán)節(jié)對農(nóng)用車輛自主導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的不利影響，同時基于ITAE性能指標，分別利用整

3、數(shù)階PD控制器和分數(shù)階PD控制器的整定方法對控制系統(tǒng)進行分析設(shè)計，給出了更為有效的控制機制。
　　3.分析了基于模型誤差的內(nèi)部擾動對系統(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、拖拉機前進速度恒定，且不考慮輪胎與地面的側(cè)向滑動情況下的農(nóng)用拖拉機直線跟蹤系統(tǒng)運動學(xué)模型。由于車輛運動學(xué)模型本身存在的非線性，若直接對其進行控制器的設(shè)計，難度較大。且針對非線性系統(tǒng)設(shè)計的控制器很難實現(xiàn)。因此在橫向偏差和轉(zhuǎn)向角較小的情況下，可將車輛運動學(xué)

4、模型在平衡點附近進行線性化，忽略模型中的高次項，不考慮余項。以此為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代控制理論中極點配置的方法，設(shè)計線性反饋控制器。在反饋控制器作用下，系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能令人滿意。而對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，車輛運行過程中模型參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致的動態(tài)誤差等模型誤差視作系統(tǒng)的內(nèi)部擾動。將線性反饋控制作為系統(tǒng)的外環(huán)，實驗

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.討論了外部擾動對系統(tǒng)控制性能的影響。單純利用控制器等被動手段補償擾動是不經(jīng)濟且不可靠的。因此本文基于干擾主動抑制的思想，利用擾動觀測器技術(shù)，對不確定的擾動進行觀測、估計，并對其進行有針對性的前饋補償。將農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境對車輛導(dǎo)航產(chǎn)生的影響視為外部擾動，如道路的起伏、過溝坎時車輛產(chǎn)生的顫動、隨機的外部噪聲干擾。本文采用擾動觀測器的內(nèi)環(huán)控制方式，將內(nèi)部擾動和外部擾動進行估計和

6、濾波，然后通過前饋補償，消除干擾的影響。試驗結(jié)果表明:引入擾動觀測器可以有效觀測和估計系統(tǒng)的不確定性，增強系統(tǒng)主動補償擾動的能力，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)對不確定擾動的主動抑制和補償方法。實現(xiàn)控制系統(tǒng)外環(huán)控制與內(nèi)環(huán)控制的有機結(jié)合。本文根據(jù)狀態(tài)空間法，利用極點配置方法設(shè)計外環(huán)線性反饋控制器，利用擾動觀測器的技術(shù)手段設(shè)計內(nèi)環(huán)擾動觀測器。實驗表明，針對控制系統(tǒng)存在的多源