Fractional Order Version of the HJB Equation

We consider an extension of the well-known Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation for fractional order dynamical systems in which a generalized performance index is considered for the related optimal control problem. Owing to the nonlocality of the fractional order operators, the classical HJB equation, in the usual form, does not hold true for fractional problems. Effectiveness of the proposed technique is illustrated through a numerical example.Comment: This is a preprint of a paper whose final and definite form is with 'Journal of Computational and Nonlinear Dynamics', ISSN 1555-1415, eISSN 1555-1423, CODEN: JCNDDM. Submitted 28-June-2018; Revised 15-Sept-2018; Accepted 28-Oct-201

Minimum Time Control of a Gantry Crane System with Rate Constraints

This paper focuses on the development of minimum time control profiles for point-to-point motion of a gantry crane system in the presence of uncertainties in modal parameters. Assuming that the velocity of the trolley of the crane can be commanded and is subject to limits, an optimal control problem is posed to determine the bang-off-bang control profile to transition the system from a point of rest to the terminal states with no residual vibrations. Both undamped and underdamped systems are considered and the variation of the structure of the optimal control profiles as a function of the final displacement is studied. As the magnitude of the rigid body displacement is increased, the collapse and birthing of switches in the optimal control profile are observed and explained. Robustness to uncertainties in modal parameters is accounted for by forcing the state sensitivities at the terminal time to zero. The observation that the time-optimal control profile merges with the robust time-optimal control is noted for specific terminal displacements and the migration of zeros of the time-delay filter parameterizing the optimal control profile are used to explain this counter intuitive result. A two degree of freedom gantry crane system is used to experimentally validate the observations of the numerical studies and the tradeoff of increase in maneuver time to the reduction of residual vibrations is experimentally illustrated

Sampling-Based Trajectory (re)planning for Differentially Flat Systems: Application to a 3D Gantry Crane

In this paper, a sampling-based trajectory planning algorithm for a laboratory-scale 3D gantry crane in an environment with static obstacles and subject to bounds on the velocity and acceleration of the gantry crane system is presented. The focus is on developing a fast motion planning algorithm for differentially flat systems, where intermediate results can be stored and reused for further tasks, such as replanning. The proposed approach is based on the informed optimal rapidly exploring random tree algorithm (informed RRT*), which is utilized to build trajectory trees that are reused for replanning when the start and/or target states change. In contrast to state-of-the-art approaches, the proposed motion planning algorithm incorporates a linear quadratic minimum time (LQTM) local planner. Thus, dynamic properties such as time optimality and the smoothness of the trajectory are directly considered in the proposed algorithm. Moreover, by integrating the branch-and-bound method to perform the pruning process on the trajectory tree, the proposed algorithm can eliminate points in the tree that do not contribute to finding better solutions. This helps to curb memory consumption and reduce the computational complexity during motion (re)planning. Simulation results for a validated mathematical model of a 3D gantry crane show the feasibility of the proposed approach.Comment: Published at IFAC-PapersOnLine (13th IFAC Symposium on Robot Control

Об оптимальном по быстродействию управлении движением подвижного математического маятника. Часть 2

Настоящая работа представляет собой вторую часть исследования задач оптимального быстродействия подвижного математического маятника (крана с грузом на гибком подвесе). В частности, в текущей работе главный акцент сделан на возможности практической реализации оптимальных управлений движением крана и определении преимуществ и недостатков оптимальных управлений с классическими и модифицированными ограничениями на управление.Обгрунтовано модифікацію обмежень на керування у задачах оптимального керування переміщенням рухомого математичного маятника. Виконано постановку задачі оптимального за швидкодією керування переміщенням рухомого математичного маятника для класичних і модифікованих обмежень. За допомогою аналітичного інтегрування рівнянь руху системи оптимізаційну задачу зведено до задачі нелінійного програмування із обмеженнями. Вказану задачу розв'язано числово із використанням методу рою частинок. Запропоновану методику розв'язування задач оптимального за швидкодією керування узагальнено для математичних моделей, які можуть бути проінтегровані аналітично.Проведено чисельне моделювання динаміки рухомого маятника (крана з вантажем на гнучкому підвісі) при реалізації отриманих в першій частині роботи оптимальних керувань засобами частотно-керованого приводу. Результати моделювання показали достатню для практичного використання якість відпрацювання оптимальних керувань навіть при дії на рух системи зовнішніх стохастичних збурень (вітрового пориву). Порівняльний аналіз результатів моделювання показав, що модифіковані обмеження дозволяють у декілька разів зменшити динамічні зусилля в конструкції крана за рахунок незначного збільшення тривалості її руху. Результати експериментальних досліджень оптимальних керувань в лабораторних умовах дозволили виявити причини відхилення фактичної швидкості моделі крана із вантажем на гнучкому підвісі від заданої (оптимальної) і запропонувати методи її усунення.A numerical simulation of dynamics of the movable pendulum (a crane with a payload on a flexible suspender) is carried out, when the obtained in the Part 1 of this publication optimal controls being realized by means of frequency-controlled drive. The simulation results showed the sufficient for practical applicability quality of optimal controls implementation, when even the external stochastic perturbations (wind rush) act on the system movement. A comparative analysis of simulation results is shown that the modified constraints allow to reduce a few times the dynamic forces in a crane construction. In this case the duration of the system movement must be slightly increased. The results of experimental studies of control in the laboratory conditions allowed to identify the causes for deviation of the crane actual speed from the optimal one and to suggest the methods for its elimination

Regelungstheoretische Analyse- und Entwurfsansätze für unteraktuierte mechanische Systeme

Die Arbeit ist der regelungstheoretischen Betrachtung von mechanischen Systemen mit mehr Freiheitsgraden als Stellgrößen gewidmet. Dabei werden Aspekte aus den Teilgebieten Modellbildung, Systemanalyse, Steuerungsentwurf und Reglerentwurf behandelt. Den Ausgangspunkt bilden die aus dem Lagrange-Formalismus resultierenden Bewegungsgleichungen, für welche neben verschiedene partiell linearisierten Zustandsdarstellungen auch eine spezielle Byrnes-Isidori-Normalform eingeführt wird. Im Unterschied zu einer früher vorgeschlagenen ähnliche Normalform existiert diese "Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform" immer. Weiterhin wird die bedeutende Eigenschaft der differentiellen Flachheit im Zusammenhang mit mechanischen Systemen untersucht. Die bestehende Lücke zwischen den bekannten notwendigen und hinreichenden Flachheitsbedingungen bildet die Motivation zur Anpassung der Regelflächenbedingung auf mechanische Systeme in Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform. Parallel dazu wird die Flachheitsanalyse auf Basis des sogenannten Variationssystems betrachtet. Dabei handelt es sich um ein System von 1-Formen, die durch Anwendung der äußeren Ableitung auf die impliziten Systemgleichungen entstehen. Äquivalent dazu können auch die in einer rechteckigen Polynommatrix bezüglich des Zeitableitungsoperators zusammengefassten Koeffizienten der Basisformen untersucht werden. Die Flachheit eines Systems ist nun gerade äquivalent zur Existenz einer unimodularen Vervollständigung dieser Matrix, welche zudem noch eine bestimmte Integrabilitätsbedingung erfüllen muss. Durch Anwendung des Satzes von Frobenius können aus diesen in der bisherigen Formulierung nur schwer überprüfbaren Bedingungen deutlich einfachere hergeleitet werden. Für den Eingrößenfall ergibt sich dadurch eine erheblich Verringerung des Rechenaufwandes im Vergleich zum Referenzansatz. Im Mehrgrößenfall ist die Situation komplizierter: Durch das Fallenlassen der Unimodularitätsforderung und die Ausnutzung der speziellen Struktur mechanischer Systeme erhält man eine neue notwendige Bedingung für Flachheit, welche sich in endlich vielen Schritten auswerten lässt. Allerdings konnte mit dieser die vermutete Nichtflachheit für die untersuchten mechanischen Beispielsysteme nicht nachgewiesen werden. Einen weiteren Untersuchungsgegenstand bildet das Konzept der Konfigurationsflachheit. Für diese Eigenschaft ist gefordert, dass ein flacher Ausgang existieren muss, der nur von den Konfigurationskoordinaten abhängt. Basierend auf theoretischen Überlungen und dem Fehlen von Gegenbeispielen wird die Hypothese aufgestellt, dass für konservative mechanische Systeme Flachheit und Konfigurationsflachheit äquivalent sind. Für lineare mechanische Systeme kann diese Hypothese mit Hilfe der Kronecker-Normalform von Matrizenscharen verifiziert werden. Bezüglich des Entwurfs von Solltrajektorien werden neben der Darstellung bekannter Verfahren für lineare und für flache Systeme zwei weitere Ansätze genauer diskutiert. Der erste basiert auf der numerischen Lösung des aus dem Steuerungsentwurf resultierenden Randwertproblems. Dazu wird ein angepasstes Kollokationsverfahren konstruiert, welches die Elimination von Systemgrößen durch die explizite Berücksichtigung von Integratorketten ermöglicht, die bei partiell linearisierten Systemen stets auftreten. Unter bestimmten Bedingungen bewirkt dies eine erhebliche Reduktion der Rechenzeit. Der zweite Ansatz betrachtet die Überführung zwischen zwei Ruhelagen und beruht auf der Zeitumkehrsymmetrie, die alle konservativen mechanischen Systeme aufweisen. Er besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird für beide Ruhelagen eine Rückführung mit möglichst großem Attraktivitätsgebiet entworfen. Danach wird das System simulativ ausgehend von der Zielruhelage in der Startruhelage stabilisiert. Die so erhaltene Eingangstrajektorie kann dann bezüglich der Zeit invertiert werden, um das System aus der Startruhelage in die Nähe der Zielruhelage zu überführen, wo schließlich der entsprechende Regler aktiviert wird. In praktischen Realisierungen von unteraktuierten Regelungssystemen treten auf Grund von Effekten wie trockener Reibung und Getriebespiel oft Dauerschwingungen mit schwer vorhersagbaren und beeinflussbaren Parametern auf. Als Alternative zur klassischen Stabilisierung einer (theoretischen) Ruhelage wird deshalb eine Rückführung hergeleitet, welche für ein gegebenes lineares System einen stabilen Grenzzyklus mit vorgebbarer Frequenz und Amplitude asymptotisch stabilisiert