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)學模型的基礎上，給出了面向控制的模型處理方法，為控制設計奠定了基礎。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用于機器魚的目標控制中，分別設計了基于動態(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：
　?。?）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