尾鰭式機器魚的建模與控制方法研究.pdf

1、本文以尾鰭式機器魚為研究對象，研究了其數(shù)學建模和目標跟蹤控制問題。在建立完整數(shù)學模型的基礎(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，本文首次將預測控制應(yīng)用于機器魚的目標控制中，分別設(shè)計了基于動態(tài)矩陣和解析模型預測控制的兩種目標跟蹤控制方法。本文的主要貢獻可歸納如下：
　　（1）建立了尾鰭式機器魚的數(shù)學模型。首先，通過坐標變換建立了機器魚的運動學模型，應(yīng)用Light

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

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