To address the problems caused by the strong coupling of an airbreathing hypersonic vehicle's airframe and propulsion to the integrated control system design, an integrated airframe-propulsion model is established, and the coupling characteristics between the aircraft and engine are analyzed. First, the airframe-propulsion integration model is established based on the typical nonlinear longitudinal dynamical model of an air-breathing hypersonic vehicle and the one-dimensional dual-mode scramjet model. Thrust, moment, angle of attack, altitude, and velocity are used as transfer variables between the aircraft model and the engine model. The one-dimensional scramjet model can accurately reflect the working state of the engine and provide data to support the coupling analysis. Second, owing to the static instability of the aircraft model, the linear quadratic regulator (LQR) controller of the aircraft is designed to ensure attitude stability and height tracking. Finally, the coupling relationship between the aircraft and the engine is revealed through simulation examples. The interaction between vehicle attitude and engine working condition is analyzed, and the influence of vehicle attitude on engine safety is considered. When the engine is in a critical working state, the attitude change of the aircraft will not affect the engine safety without considering coupling, whereas when coupling is considered, the attitude change of the aircraft may cause the engine unstart, which demonstrates the significance of considering coupling characteristics.
This paper describes the robust controller design methods applied to the problem of an automatic system for tow-vehicle/trailer combinations. This study followed an inverse Linear Quadratic Regulator(LQR) approach which combines pole assignment methods with conventional LOR methods. It overcomes two concerns associated with these separate methods. It overcomes the robustness problems associated with pole placement methods and trial and error required in the application of the LQR problem. Moreover, a Kalman filter is used as the observer, but is modified by using the loop transfer recovery (LTR) technique with modified transmission zero assignment. The proposed inverse LQG,/LTR controllers enhances the forward motion stability and maneuverability of the combination vehicles. At high speeds, where the inherent yaw damping of the vehicle system decreases, the controller operates to maintain an adequate level of yaw damping. At backward moton, both 4WS (2WS tow-vehicle, 2WS trailer) and 6WS (4WS tow-vehicle, 2WS trailer) control laws are proposed by using inverse LQG/LTR method. To evaluate the stability and robustness of the proposed controllers, simulations for both forward and backward motion were conducted using a detailed nonlinear model. The proposed controllers are significantly more robust than the previous controllers and continues to operate effectively in spite of parameter perturbations that would cause previous controllers to enters limit cycles or to loose stability.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.5
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pp.1123-1131
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1993
A robust controller is proposed to design a flight autopilot for lateral motion control. The control system has two control loops in order to meet the performance and to maintain the stability-robustness for a nonsquare flight system with uncertain aerodynamic variations and disturbance. One is designed via linear quadratic Gaussian with loop transfer recovery(LQG/LTR) design methodology for the inner loop. The other is designed via proportional controller design method for the outer loop. To show the effectiveness of this control system, it is compared with the LQG/LTR control system for a square flight system and is analyzed for the performance/stability-robustness to model uncertainties and disturbance via wind gusts. It is found that the proposed control system has good heading command-following performance under allowable sideslip angle in spite of model uncertainties and disturbance.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.26
no.1
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pp.144-149
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2017
There have been lots of interest on service and entertainment robots. To ensure that robots work in harmony with humans, their stability and compactness are some of the key issues. Obviously, robots with fewer wheels occupy a smaller floor area compared to those with more wheels. In addition, robots with fewer wheels, whose posture stabilities are maintained by feedback control, are stable even under larger accelerations and/or higher locations of the center of mass. To facilitate controller design, it is assumed that both pitch and roll dynamics are decoupled. The dynamic equations of motion for the proposed robot are derived from the Euler-Lagrange equation. To obtain the optimal balancing control law, linear quadratic regulator control methods are applied to the linearized dynamic equations. Simulation and experimental results verify the effectiveness and performance of the proposed balancing control algorithm for a single-wheeled mobile robot.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.22
no.1
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pp.20-28
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2014
This paper presents static output feedback LQ and $H_{\infty}$ controllers for rollover prevention. Linear quadratic static output feedback controllers have been proposed for rollover prevention in such a way to minimize the lateral acceleration and the roll angle. Rollover prevention capability can be enhanced if $H_{\infty}$ controller is designed. To avoid full-state measurement for feedback requirement or sensitiveness of an observer to nonlinear model error, static output feedback is adopted. To design static output feedback controllers, Kosut's method is adopted because it is simple to calculate. Differential braking and active anti-roll bar are adopted as actuators that generate yaw and roll moments, respectively. The proposed method is shown to be effective in preventing rollover through the simulations on nonlinear multi-body dynamic simulation software, CarSim.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SC
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v.37
no.6
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pp.15-24
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2000
This paper presents an output feedback robust H$\infty$ control problem for a class of uncertain nonlinear systems, which can be represented by an fuzzy dynamic model. The nonlinear system is represented by Takagi-Sugeno fuzzy model, and the control design is carried out on the basis of the fuzzy model. Using a single quadratic Lyapunov function, the globally exponential stability and disturance attenuation of the closed-loop fuzzy control system are discussed. Sufficient conditions for the existence of robust H$\infty$ controllers are given in terms of linear matrix inequalities(LMIs). Constructive algorithm for design of robust H$\infty$ controller is also developed. The resulting controller is nonlinear and automatically tuned based on fuzzy operation.
A dynamically positioned vessel must be capable of maintaining a specified position and direction by controlling the thruster devices. The motions of a vessel are often assuned to tne sum of low frequency(LF)motions and high frequency(HF)motions. The former is mainly due to wind, current and second order wave forces, while the latter is mainly due to first order wave forces. In order to avoid the high frequency thruser modulation, the control system must include filters to estimate the low frequency motions from the measured motion signals, This paper presents a control system based on Kalman filtering technique and optimal control tyeory. Using the combined kalmam filter, LF motion estimates and HF ones are achieved from the motion measurement of the vessel. The estimated low frequency motions are used as inputs to the dynamic positioning system. The thruster modulation is minimized using the optimal control theory; Linear Quadratic Gaussian(LQG)controller. The performances of the Kalman filter and the dynamic positioned vessel are investigated by computer simulation.
The SWATH concept hull form which is capable of high speed navigation with small oscillatory motions in waves, was developed from the catamaran type hull forms. This paper describes how the motion of a SWATH ship in irregular waves can be reduced by regulating the stabilizing fins. The optimal regulator and LQG (Linear Quadratic Gaussian) controller for vertical plane motion have been applied for both platforming mode and contouring mode controls. The calculations of hydrodynamic coefficients and external forces are possible for defining the system equation for the design purpose of motion control. Performances of the controlled system are compared with those of original system.
This paper considers the optimal control problem in real-time control systems with random time-delays. It proposes an algorithm which uses the linear quadratic (LQ) control method and a dedicated technique to compensate for the time-delay effects. Since it is assumed that the time-delays are unknown but the probability distribution of the delays are known a priori, the algorithm considers the mean value of the time-delays as a nominal value for random delay compensation. An example is given to show the performance of the proposed algorithm, where an inverted pendulum system is controlled over a controller-area network (CAN). Simulation results show that the proposed algorithm provides good performance results. It is shown that our algorithm is comparable to existing algorithms in both computation cost and performance.
An alternative optimal control law formulation is introduced and compared with two different control law, a conventional linear quadratic regulator and the control law based on game theory. This formulation eliminates the undesired modes of the system by the projection of a controller onto the subspace orthogonal to that of the bad modes. In conventional LQR control law, the control performance can be improved only by using proper weighting matrices in performance index, normally, with high cost. The control law formulation by game theory may provide various ways to obtain the desired performance. The control law modified by the elimination of bad modes provides efficient ways to get rid of an undesired performance since it eliminates the exact modes which cause the bad control performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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