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Robust Tube-MPC Trajectory Tracking Control for Four-Wheel Independent Steering Vehicles on Intermittent Snowy and Icy Roads
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作者 Xiaochuan Zhou Ruiqi Liu +3 位作者 Jinyu Zhou Ziyu Zhang Chunyan Wang Wanzhong Zhao 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 2025年第5期64-82,共19页
Four-Wheel Independent Steering(4WIS)Vehicles can independently control the angle of each wheel,demonstrating superior trajectory tracking performance under normal conditions.However,on intermittent icy and snowy road... Four-Wheel Independent Steering(4WIS)Vehicles can independently control the angle of each wheel,demonstrating superior trajectory tracking performance under normal conditions.However,on intermittent icy and snowy roads,the presence of time-varying adhesion coefficients,time-varying cornering stiffness,and the irregularities due to ice and snow accumulation introduce multiple uncertainties into the steering system,significantly degrading the trajectory tracking performance of 4WIS vehicles.In response,this paper proposes a robust Tube Model Predictive Control(Tube-MPC)trajectory tracking control method for 4WIS.In this method,a Bi-directional Long Short-Term Memory neural network is established for online estimation of tire cornering stiffness under different road adhesion coefficients,providing accurate estimation of time-varying cornering stiffness for each wheel to mitigate the uncertainties of time-varying adhesion coefficients and cornering stiffness.Additionally,considering the road irregularities caused by snow accumulation on intermittent icy and snowy roads,a trajectory tracking controller that integrates Tube-MPC and robust Sliding Mode Control is proposed.The nominal MPC model,developed from the estimated tire cornering stiffness,utilizes the sliding surface and the optimal auxiliary control unit law for the tube is derived from the reaching law in Tube-MPC,aiming to minimize the trajectory tracking error while enhancing the controller’s robustness against road uncertainties.The experiments show that the proposed method outperforms the Tube-MPC algorithm in terms of trajectory accuracy and robustness.This method demonstrates excellent trajectory tracking accuracy under intermittent icy and snowy road conditions,and it lays a theoretical foundation for future studies on vehicle stability and trajectory tracking under such road conditions. 展开更多
关键词 Intermittent icy and snowy roads Vehicle trajectory tracking Robust tube-mpc Cornering stiffness estimation
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基于可拓相平面稳定域划分的Tube-MPC车辆稳定性控制 被引量:1
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作者 苏东旭 赵治国 +2 位作者 赵坤 李刚 于勤 《汽车工程》 EI CSCD 北大核心 2024年第9期1654-1667,共14页
针对分布式四轮驱动电动车辆在极限工况下稳定性控制难题,考虑了横摆角速度、横纵向加速度等传感器噪声以及质心侧偏角估计误差的影响,提出了基于可拓理论的相平面稳定域划分方法以及自适应管道模型预测控制(ATMPC)算法,以快速量化车辆... 针对分布式四轮驱动电动车辆在极限工况下稳定性控制难题,考虑了横摆角速度、横纵向加速度等传感器噪声以及质心侧偏角估计误差的影响,提出了基于可拓理论的相平面稳定域划分方法以及自适应管道模型预测控制(ATMPC)算法,以快速量化车辆稳定性程度,并在满足跟踪精度的前提下保证车辆行驶的稳定性。所设计的车辆横摆稳定性控制系统采用分层设计架构,其中上层基于可拓理论,将车辆质心侧偏角-橫摆角速度相平面与可拓控制域相关联,并根据车辆实际状态判断可拓控制域并计算关联函数,实现了下层的管道模型预测控制(TubeMPC)控制目标权重与控制模式的决策;下层基于Tube-MPC对期望横摆角速度和质心侧偏角进行跟踪,实现附加横摆力矩的精准决策,之后采用轮胎负荷率优化方法进行横摆力矩的分配。通过CarSim与Simulink软件联合仿真,对所设计的控制策略进行仿真验证。结果表明,相较于常规MPC算法,所提出的控制架构与ATMPC控制策略能够有效提升车辆在极限工况下的行驶稳定性以及噪声干扰环境下的鲁棒性。 展开更多
关键词 分布式驱动车辆 稳定性控制 可拓相平面 管道模型预测控制
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基于鲁棒分层控制的虚拟编组列车动态解编方法 被引量:1
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作者 朱才梵 王悉 +1 位作者 杨欣 吴建军 《交通运输工程与信息学报》 2025年第2期150-160,共11页
【背景】随着虚拟编组列车技术的应用,列车在道岔区段的动态解编成为确保系统安全与效率的关键问题。然而,现有控制方法难以同时应对不确定性和外部干扰,导致列车控制精度和稳定性受到影响。【目标】本研究旨在提出一种鲁棒的分层控制方... 【背景】随着虚拟编组列车技术的应用,列车在道岔区段的动态解编成为确保系统安全与效率的关键问题。然而,现有控制方法难以同时应对不确定性和外部干扰,导致列车控制精度和稳定性受到影响。【目标】本研究旨在提出一种鲁棒的分层控制方法,以提高虚拟编组列车在道岔区段动态解编过程中的运行效率和稳定性。【方法】在深入分析虚拟编组列车的动态运行过程及相关约束条件的基础上,本文设计了一个分层控制框架,上层采用线性二次优化(Linear Quadratic Regulator,LQR)模型,通过优化计算确定列车通过道岔的最优策略;下层则采用基于管的扰动模型预测控制(Tube-basedModel Predictive Control,Tube-based MPC)方法,实时执行上层策略并有效应对不确定性和外部扰动。【结果】与传统模型预测控制(MPC)方法进行对比,仿真结果表明,所提出的方法在速度控制精度上提高了约7.5%,在位置控制精度上提高了约20.5%。【结结论论】实验验证了分层控制策略的有效性,并证明了Tube-based MPC在复杂场景下的鲁棒性和优越性,为虚拟编组列车的道岔区段动态解编提供了有效的解决方案。 展开更多
关键词 城市交通 道岔列车控制 基于管的模型预测控制 虚拟编组 鲁棒性
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弹性高超声速飞行器分解式输出反馈预测控制
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作者 胡超芳 刘欣悦 《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》 北大核心 2025年第12期1230-1241,共12页
针对带参数不确定性和扰动的弹性高超声速飞行器,提出一种基于事件触发的分解式输出反馈管道模型预测控制(Tube-MPC)方法.首先,将不确定非线性模型建模为包含附加集总扰动的多胞线性变参数(LPV)模型,并设计龙伯格观测器以估计弹性状态.... 针对带参数不确定性和扰动的弹性高超声速飞行器,提出一种基于事件触发的分解式输出反馈管道模型预测控制(Tube-MPC)方法.首先,将不确定非线性模型建模为包含附加集总扰动的多胞线性变参数(LPV)模型,并设计龙伯格观测器以估计弹性状态.为确定观测误差边界,提出迭代算法计算凸观测误差不变集,将凸观测误差不变集与凸扰动集结合形成增广误差不变集,从而设计分解式观测、标称及参考模型,基于凸集顶点,将预测状态管表示为分解后子管的闵可夫斯基和形式.其次,设计子管的辅助反馈控制器和标称控制器,以保证各子管的渐近稳定,并进一步证明了整个系统的稳定性.由于子管的数量与预测步长成正比,为保证子管的预测控制序列满足约束条件,提出了子管输入约束缩减策略.在子管的辅助反馈误差系统中,通过线性矩阵不等式(LMI)优化求解子控制序列,并在每个时刻根据历史子控制序列缩减控制约束.对于子管的标称误差系统,根据凸集顶点缩紧标称控制约束,并优化求解控制增益,利用闵可夫斯基和获得实际控制序列.随后,为降低计算量和保守性,基于观测误差不变集设计了事件触发机制,该机制通过离线计算不变集序列,在线匹配刚体观测误差与不变集,来确定弹性观测误差对应的观测误差不变集,当不变集发生变化时,更新增广误差不变集和控制增益.最后,仿真结果表明,所提方法能显著提升弹性高超声速飞行器在不确定和扰动条件下的控制性能. 展开更多
关键词 弹性高超声速飞行器 管道模型预测控制 事件触发 凸观测误差不变集
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多点约束(MPC)法与换热器整体有限元分析 被引量:18
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作者 曲晓锐 钱才富 《压力容器》 2013年第2期54-58,共5页
在管壳式换热器中,管板与法兰和壳体与管子间厚度差大,且大型换热器管子根数多。在对管壳式换热器进行有限元模拟时,如果全部采用实体单元建立整体模型,难度大,计算量大。而管壳式换热器壳体与管子为板壳结构,采用壳单元能大大减小建模... 在管壳式换热器中,管板与法兰和壳体与管子间厚度差大,且大型换热器管子根数多。在对管壳式换热器进行有限元模拟时,如果全部采用实体单元建立整体模型,难度大,计算量大。而管壳式换热器壳体与管子为板壳结构,采用壳单元能大大减小建模工作量和对计算机硬件的要求。然而,实体单元与壳单元由于具有不同的自由度,两者不能直接连接。多点约束(MPC)法是在两种单元连接处建立约束方程,从而实现节点自由度耦合。对某固定管板式换热器,建立两个有限元分析模型,一是采用多点约束法,将壳单元和实体单元进行耦合,另一个是全部采用实体单元,并以管板及壳体中的应力强度为指标,对两个模型进行比较,结果发现,采用多点约束法对管壳式换热器进行整体模拟分析,既相对简单,又有足够的精度。 展开更多
关键词 有限元 多点约束 固定管板式换热器 应力强度
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基于Tube MPC的多轴重型车辆全轮转向路径跟踪策略 被引量:5
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作者 王玮琛 李军求 +2 位作者 孙逢春 宋健 吴永华 《汽车工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第11期1665-1675,1715,共12页
本文中为具有智能驾驶功能的五轴重型车辆提出一种基于鲁棒不变集的模型预测控制(Tube MPC)的全轮转向路径跟踪策略。首先提出了基于第1桥和第5桥转角控制的全轮转向路径跟踪策略,使多轴车的控制更灵活,侧向力响应可实现同步且能得到充... 本文中为具有智能驾驶功能的五轴重型车辆提出一种基于鲁棒不变集的模型预测控制(Tube MPC)的全轮转向路径跟踪策略。首先提出了基于第1桥和第5桥转角控制的全轮转向路径跟踪策略,使多轴车的控制更灵活,侧向力响应可实现同步且能得到充分利用。接着控制模型考虑轮胎参数不确定和侧向风产生的有界干扰,采用Tube MPC求解路径跟踪问题。同时采用基于支撑函数计算的简化最小鲁棒正不变集(mRPI)代替了通用的基于Minkowski求和的mRPI运算,有效地节约了mRPI的离线计算时间,也减少了不变集的顶点个数,以保证Tube MPC的在线实现。最后进行硬件在环仿真,验证了所提基于Tube MPC的全轮转向策略对比普通的全轮转向策略具有更高的路径跟踪精度和车辆稳定性,面对未知干扰时有更强的鲁棒性。 展开更多
关键词 五轴重型车辆 Tube MPC 全轮转向 路径跟踪 最小鲁棒正不变集
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基于鲁棒一步集的Tube不变集鲁棒模型预测控制 被引量:4
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作者 秦伟伟 刘刚 +1 位作者 王剑 郑志强 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第7期1404-1411,共8页
针对一类干扰有界的输入和状态受约束线性离散系统,提出了一种基于鲁棒一步集的Tube不变集鲁棒模型预测控制方法.首先采用多面体不变集离线设计方法得到基于多面体不变集序列的扩展终端约束集;然后为了扩大鲁棒模型预测控制的初始状态... 针对一类干扰有界的输入和状态受约束线性离散系统,提出了一种基于鲁棒一步集的Tube不变集鲁棒模型预测控制方法.首先采用多面体不变集离线设计方法得到基于多面体不变集序列的扩展终端约束集;然后为了扩大鲁棒模型预测控制的初始状态允许区域,并提高系统的鲁棒性,在扩展终端约束集的基础上,通过引入鲁棒一步集并借助Tube不变集控制策略,设计了基于鲁棒一步集的鲁棒模型预测控制方法,并给出了算法的存在性和稳定性证明.该方法不仅极大地扩大了初始状态允许区域,而且对有界干扰具有有效的抑制作用,使得受扰系统收敛到以原点为中心的最小鲁棒正不变集内.最后仿真验证了算法的有效性. 展开更多
关键词 鲁棒模型预测控制 鲁棒一步集 Tube不变集 最小鲁棒正不变集
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基于ANSYS Workbench的换热器管板有限元分析 被引量:9
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作者 孙志刚 杨湖 杨建良 《化工设备与管道》 CAS 2019年第1期14-16,51,共4页
换热器简化模型建模需要解决换热管实体-梁单元耦合问题,通常采用ANSYS APDL,需要命令流编写,过程复杂。利用ANSYS Workbench中的Name Selection和Object Generator功能,不需要命令流编程,即可解决换热管实体-梁单元耦合问题,实现ANSYS ... 换热器简化模型建模需要解决换热管实体-梁单元耦合问题,通常采用ANSYS APDL,需要命令流编写,过程复杂。利用ANSYS Workbench中的Name Selection和Object Generator功能,不需要命令流编程,即可解决换热管实体-梁单元耦合问题,实现ANSYS Workbench界面环境下换热器管板简化模型建模和应力分析。为换热器的有限元模型建模提供了一种新的更加简便的方法。 展开更多
关键词 管板 换热管 ANSYS WORKBENCH MPC 实体-梁连接 有限元分析
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基于可变终端Tube-Based MPC的机场除雪车横向稳定性控制方法 被引量:2
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作者 邢志伟 李黎 孙恪 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第12期1236-1243,共8页
为了提高机场路面自动驾驶除雪车作业过程中的侧倾稳定性,提出了一种基于可变终端tubebased MPC的机场除雪车横向稳定性控制方法。建立了除雪车作业的三自由度侧倾动力学解耦模型,采用tube-based MPC控制算法,基于除雪车横向稳定性、误... 为了提高机场路面自动驾驶除雪车作业过程中的侧倾稳定性,提出了一种基于可变终端tubebased MPC的机场除雪车横向稳定性控制方法。建立了除雪车作业的三自由度侧倾动力学解耦模型,采用tube-based MPC控制算法,基于除雪车横向稳定性、误差跟踪特性等约束条件设计了LQR函数,使MPC具有更好的鲁棒性,并在此基础上针对除雪车高速情况下可能出现的跟踪偏差发散设计了可变终端集。设计了多重模糊控制策略,确保除雪车在安全可行域内的灵活性和极端情况的安全性。仿真结果表明,采用tube-based MPC对比传统MPC在高速下除雪车综合跟踪性能提升80.22%,车身稳定性提升66.62%;加入多层模糊控制和可变终端约束的tube-based MPC对比可变终端约束的tube-based MPC在高速情况下除雪车综合跟踪性能提升71.77%,车身稳定性提升26.27%。 展开更多
关键词 三自由度侧倾动力学解耦模型 横向稳定性 tube-based MPC 可变终端约束 多层模糊控制
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