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带尖端质量与输入间隙的不确定旋转体-梁系统的边界控制

已有 243 次阅读 2025-12-15 10:22 |个人分类:文章推荐|系统分类:博客资讯

Boundary control of an uncertain rotating body-beam system with tip mass and input backlash（带尖端质量与输入间隙的不确定旋转体-梁系统的边界控制）

旋转柔性结构常见于航天器展开臂、柔性机械臂等场景，但其无限维动力学、输入间隙与外界扰动使得控制挑战重重。本文提出一种创新的边界控制策略，通过间隙重构与能量方法，实现对复杂柔性梁振动的快速稳定控制。

本研究由青岛大学自动化学院于洋副教授团队联合华南理工大学裴海龙教授团队完成，于洋副教授团队与华南理工大学裴海龙教授团队联合开展研究，成果显著。于洋副教授团队长期致力于无穷维系统控制与柔性结构振动抑制研究，曾主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多项国家级与省部级科研项目。裴海龙教授团队在导航控制、网络自主系统协调控制、嵌入式系统分析及先进数控系统设计等方面具有深厚积累，先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器研制项目、国家基金重点项目等一系列国家级重点项目。该团队是国内最早开展小型无人直升机研究的团队之一，突破了自主导航控制关键技术难点，曾主持无人机领域首个国家基金重点项目。其研发的国内首架海监无人直升机已移交广东省海监总队投入使用，无人机对地激光扫描测绘技术已在长庆油田和珠江水利委员会成功应用。目前，团队正与国家海洋局合作，研发面向南海岛礁的无人机对地观测系统，在无人机技术领域的研发实力处于国内领先地位。

标题：Boundary control of an uncertain rotating body-beam system with tip mass and input backlash（带尖端质量与输入间隙的不确定旋转体-梁系统的边界控制）

作者：Fuzhuang Han1, Mingli Cui1, Yang Yu1, Hai-Long Pei2

机构：1 青岛大学；2 华南理工大学

引用：Han, F., Cui, M., Yu, Y. et al. Boundary control of an uncertain rotating body-beam system with tip mass and input backlash. Control Theory Technol. (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00274-6

全文链接：https://rdcu.be/eSsAG

摘要

本文研究了旋转柔性体—梁系统（RFBBS）的控制问题。该系统由一个安装在自由端的尖端质量块以及一个连接在欧拉-伯努利梁固定端的刚性圆盘组成。边界控制输入同时受到未知扰动和非线性输入间隙的影响。首先，我们将输入间隙视为期望控制输入与非线性输入误差之和，并将其转化为一种外部扰动；随后，基于能量的控制方法设计了控制信号。接着，采用Lyapunov直接法对闭环系统的稳定性进行了分析。最后，通过利用有限差分法进行数值仿真，验证了所提出控制方案的有效性。

引言

柔性结构因其轻质、高效和可恢复性，在航天器展开臂、柔性机械臂以及海洋立管等工程系统中广泛应用。然而这类结构通常由偏微分方程描述，属于无限维系统，控制难度显著高于常规有限维系统。特别是在旋转柔性结构（RFBBS）中，梁的柔性振动、旋转惯性耦合以及末端载荷，使得系统更加复杂。

已有研究从稳定性分析、阻尼补偿和主动振动抑制等方面对RFBBS进行探索，但仍存在以下挑战：

输入间隙广泛存在于执行机构中，若忽略会导致性能下降甚至不稳定。现有方法多依赖于自适应或补偿方式，但难以直接用于分布参数系统。
边界扰动不可避免（如载荷扰动、环境振动），影响梁的稳定性。
RFBBS的无限维动力学复杂，需要在不对PDE进行离散化的情况下实现严格稳定性证明。

为此，本文提出了一种新的控制框架：

通过将输入间隙重新建模为“期望控制输入+非线性误差”，并将误差视为外部扰动，使控制系统结构大幅简化；
基于能量方法设计边界控制律，避免复杂的系统降维；
利用Lyapunov直接法进行闭环稳定性分析，确保系统在未知扰动和迟滞条件下仍能获得一致有界稳定。

该研究的贡献主要体现在：

设计了适用于具有不确定间隙和外部扰动的RFBBS的创新边界控制器；
构建了可处理无限维动力学的新型Lyapunov函数；
仿真验证了控制器在强扰动与非线性输入条件下仍能快速抑制梁的振动。

结论

本文提出了一种面向旋转柔性体–梁系统（RFBBS）的新型边界控制方案，可有效应对未知外部扰动与输入间隙带来的复杂控制问题。通过将间隙非线性重新建模为外部扰动，并基于能量方法设计边界控制输入，利用Lyapunov直接法严格证明了闭环系统的稳定性与有界性。

数值仿真结果表明：即使系统受到强周期性外部扰动和输入间隙，所提出的控制器仍能在较短时间内消除柔性梁的振动，实现快速稳定。

作者介绍

Fuzhuang Han，2019年获得烟台南山大学机械设计制造及其自动化专业本科学历。目前在青岛大学自动化学院攻读控制工程硕士学位。他的研究方向为分布参数系统的控制。

Mingli Cui，2017年获郑州工商学院自动化专业学士学位。目前在青岛大学自动化学院攻读控制工程硕士学位。他的研究方向为分布参数系统的控制。

Yang Yu，2014年获得法国克劳德-伯纳德·里昂大学( University of Claude-Bernard Lyon 1，维勒班)自动化系统硕士学位，2019年获华南理工大学控制理论与应用方向博士学位。现任青岛大学自动化学院副教授。他的研究方向为对无穷维系统的控制和观测。

Hai-Long Pei，分别于1986年和1992年获西北工业大学学士学位，华南理工大学自动控制专业博士学位。现为华南理工大学自动化科学与工程学院教授。现任教育部自主系统与网络控制重点实验室主任、广东省无人机系统工程与技术研究中心主任。他的研究领域包括智能无人系统设计、非线性控制、智能机器人控制等，主持多项国家级、省级科研项目，包括国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器研制项目等。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目I期(2021-2024年)和II期，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

官网：https://link.springer.com/journal/11768 (即http://www.springer.com/11768)

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