尾鰭式機(jī)器魚的建模與控制方法研究.pdf

1、本文以尾鰭式機(jī)器魚為研究對象，研究了其數(shù)學(xué)建模和目標(biāo)跟蹤控制問題。在建立完整數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給出了面向控制的模型處理方法，為控制設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。針對現(xiàn)有的控制方法存在的魯棒性差、控制量易飽和等問題，本文首次將預(yù)測控制應(yīng)用于機(jī)器魚的目標(biāo)控制中，分別設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)矩陣和解析模型預(yù)測控制的兩種目標(biāo)跟蹤控制方法。本文的主要貢獻(xiàn)可歸納如下：
　?。?）建立了尾鰭式機(jī)器魚的數(shù)學(xué)模型。首先，通過坐標(biāo)變換建立了機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，應(yīng)用Light

2、hill細(xì)長體理論，分析了尾鰭式機(jī)器魚游動(dòng)時(shí)的受力情況，推導(dǎo)了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型。然后，針對機(jī)器魚游動(dòng)時(shí)周期性擺動(dòng)尾鰭引入的振蕩信號，固定擺動(dòng)幅值和頻率，分別采用近似平均化和二階泰勒展開方法，得到兩種只有一個(gè)控制輸入的等效模型。最后，針對目標(biāo)跟蹤問題，建立了僅包含距離和角度兩個(gè)被控變量的目標(biāo)跟蹤模型，為控制器設(shè)計(jì)帶來了便利。
　　（2）給出了基于動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測控制方法的尾鰭式機(jī)器魚目標(biāo)跟蹤控制設(shè)計(jì)方法。為了提高系統(tǒng)的魯棒性，并避免控制

3、輸入的頻繁飽和，將預(yù)測控制方法應(yīng)用于尾鰭式機(jī)器魚的目標(biāo)跟蹤控制中。首先對目標(biāo)跟蹤模型進(jìn)行離散化處理，并對指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了構(gòu)造，進(jìn)而給出非線性DMC目標(biāo)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)方法。然后，對控制器參數(shù)對控制性能的影響進(jìn)行了分析，給出了參數(shù)優(yōu)化方法，最后，通過仿真對設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
　?。?）給出了基于解析模型預(yù)測控制方法的尾鰭式機(jī)器魚目標(biāo)跟蹤控制設(shè)計(jì)方法。為解決動(dòng)態(tài)矩陣控制中隨預(yù)測時(shí)域增加導(dǎo)致的計(jì)算量過大問題，引入解析模型預(yù)測控制方