寧波材料所在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的集成優(yōu)化設(shè)計方法上取得進(jìn)展
相比序列式設(shè)計方法，集成優(yōu)化設(shè)計方法可以加速復(fù)雜系統(tǒng)的迭代設(shè)計流程，獲得更好的整體性能。將裝備的機(jī)械、電氣和控制參數(shù)集總到動態(tài)模型的反饋增益矩陣中，并運(yùn)用最優(yōu)控制理論進(jìn)行設(shè)計，可以使產(chǎn)線在局部快速重構(gòu)下保持最優(yōu)性能。但受機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方案、控制器架構(gòu)等因素影響，動態(tài)模型的反饋增益矩陣存在結(jié)構(gòu)約束，無法運(yùn)用黎卡提方程來求解，制約了最優(yōu)控制理論在系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所精密驅(qū)動與智能機(jī)器人技術(shù)團(tuán)隊的博士生袁黎明，在陳思魯、張馳、楊桂林研究員指導(dǎo)下，提出了一種基于參數(shù)空間優(yōu)化的結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制方法，如圖1所示。該方法首先建立了存在行內(nèi)與列內(nèi)元素間約束的反饋增益矩陣雙線性分解法則，將集成優(yōu)化設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為一個純分散式控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題。隨后，設(shè)計了一個包含系統(tǒng)狀態(tài)與控制輸入的參數(shù)空間，建立了將狀態(tài)空間的系統(tǒng)動態(tài)及反饋結(jié)構(gòu)約束映射到該參數(shù)空間的法則，從而將存在非凸約束下的結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為迭代凸規(guī)劃問題。在數(shù)值計算中，面向迭代對偶單純形線性規(guī)劃算法，完善了約束條件增補(bǔ)邏輯，實(shí)現(xiàn)了迭代中一次性生成多個切平面，提高了計算效率。相關(guān)方法可用于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)、冗余驅(qū)動系統(tǒng)及欠驅(qū)動系統(tǒng)的集成優(yōu)化設(shè)計，如圖2所示。
相關(guān)論文以“Parameter Space Optimization for Robust Controller Synthesis with Structured Feedback Gain”為題發(fā)表在控制論領(lǐng)域的權(quán)威期刊IEEE Transactions on Cybernetics上（DOI:10.1109/TCYB.2022.3166775）。該研究得到國家自然科學(xué)基金（51875554、U2020282、U1609206）和中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院自主項(xiàng)目（C2021001）的資助。
圖1 基于參數(shù)空間優(yōu)化的結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制方法
圖2 集成優(yōu)化設(shè)計案例：（a）躍度解耦裝置，（b）二級倒立擺
?。ㄏ冗M(jìn)制造技術(shù)研究所 陳思魯）