被动模式下肢外骨骼机器人的步态轨迹跟踪控制

针对被动模式下肢外骨骼机器人的步态轨迹跟踪控制问题,提出一种自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)策略.将系统未建模动态、系统间动态耦合和外部扰动视为总干扰,设计扩张状态观测器(extended state observer,ESO)进行估计,采用前馈方式进行补偿,从而抑制干扰的影响.通过设计的误差反馈控制器,实现对期望步态轨迹的跟踪控制,并给出ESO误差有界以及闭环系统稳定性的证明.仿真结果表明,所提的ADRC策略能准确跟踪步态轨迹,相比于比例积分微分(PID)控制和计算力矩控制方法,该策略不仅能保证良好的跟踪效果,还能有效抑制干扰.     

基于线性变参数H∞反馈的机器人迭代学习控制器设计

提出了一种基于线性变参数（LPV）H∞反馈的迭代学习控制器,用于不确定性机器人的高精度轨迹跟踪,此控制器包括反馈部分和前馈部分,其中反馈部分设计为LPVH∞控制,前馈部分设计为高阶PD型迭代学习控制,在满足一定的收敛条件下,证明了该控制器的跟踪误差界正比于系统初始误差系统输出干扰项界,仿真结果不仅验证了此控制器随机器人关节位置变化始终具有干扰衰减、鲁棒稳定的性能,而且还验证了此控制器具有高精度轨迹跟踪的性能。     

基于预设性能的自适应神经网络船舶轨迹跟踪

针对存在模型参数摄动与外界未知海洋环境干扰的船舶轨迹跟踪问题,提出一种具有规定性能要求约束的船舶轨迹跟踪控制策略.该控制策略通过引入具有约束作用的性能函数进行控制器的设计.先将有不等式约束的船舶轨迹跟踪误差转换为等价的无约束的误差,然后将转换得到的误差与滑模控制相结合设计控制器,保证船舶轨迹跟踪控制的快速性与高精度,同...     

基于扩张状态观测器的四旋翼积分滑模反步控制

针对四旋翼路径跟踪控制问题,研究了基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)、积分滑模控制器(integral sliding mode controller,ISMC)及反步法(backstepping)的四旋翼控制算法。构造了一种考虑姿态控制器响应过程的无人机控制模型;设计了扩张状态观测器对扰动进行观测,并构建了积分滑模控制器以估计扰动观测误差;设计了基于反步法的抗干扰路径跟踪控制算法,利用扩展状态观测器估计的扰动信息,通过补偿方式较好地消除了扰动影响。仿真试验表明,该方法具有良好的轨迹跟踪性能和抗干扰能力。     

AUV模型解耦水平运动多控制器联合控制

为了解决自治水下机器人(AUV)的水平面轨迹跟踪控制问题,提出一种基于解耦模型的多控制器联合控制方法.建立AUV水平面三自由度运动模型并进行模型解耦,将每个自由度都只保留主变量,模型中的交叉耦合项和模型不确定性都当做外干扰项来考虑;对解耦后的AUV运动模型进行轨迹跟踪控制器的设计,针对AUV各个自由度的特点,为轴向和侧向运动设计自适应反演滑模控制器,为艏向运动设计带有干扰观测器的自适应终端滑模控制器;通过公式推导,利用李雅普诺夫理论证明了系统稳定性和误差的收敛性.仿真实验证明:所设计的轨迹跟踪控制器具有较强的鲁棒性能,系统能够实现对平面轨迹的精确跟踪且能够在规定的有效时间内实现对艏向角的精确跟踪.     

基于干扰观测器的飞行仿真转台滑模控制器

针对飞行仿真转台中干扰观测器(DOB)对等效干扰项估计不足而影响跟踪精度的问题,提出一种基于DOB的滑模变结构控制器(SMVSC).它引入了附加干扰补偿项以及跟踪指令的速度信号和加速度信号,定义了一种新的滑模趋近律形式,并满足系统广义滑模存在条件.通过某单轴飞行仿真转台的实验结果表明,与传统的比例微分(PD)控制器+DOB方案相比,该控制方案提高了跟踪精度,同时,对系统参数变化和力矩扰动也具有更强的鲁棒性.     

基于模糊干扰观测器的移动机器人自适应滑模跟踪控制

针对轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot, WMR)轨迹跟踪中存在的速度跳变和未知系统扰动,提出一种新型轨迹跟踪控制策略。该策略基于反演技术,分别设计WMR系统的运动学控制器和动力学控制器。在运动学控制器中,采用分流技术克服了轨迹跟踪初期的速度跳变问题;在动力学控制器中,将模糊干扰观测器与自适应滑模控制结合,有效解决了未知系统扰动对控制性能的影响,并且消除了传统滑模控制的抖振现象。通过Lyapunov稳定性理论,证明了该控制策略的稳定性。仿真研究表明,该控制策略具有较小的速度跳变,控制信号抖振较小,并对系统扰动具有强鲁棒性。     

机械臂的滑模控制器设计及仿真实验研究

以多连杆机械臂为研究对象,设计滑模控制器来实现高精度的轨迹跟踪控制。首先建立受到参数不确定和外部扰动影响的多连杆机械臂动态模型;其次依据该受扰模型设计滑模面及相应的基于等效控制的滑模控制器;接着利用李雅普诺夫函数证明系统的稳定性;同时采用饱和函数替代符号函数来抑制抖振现象。为了验证所设计的滑模控制算法的有效性,使用Matlab/Simulink软件搭建机械臂仿真测试平台。利用测试平台实现机械臂在PID控制、滑模控制和基于饱和函数的滑模控制三种控制方法下的轨迹跟踪实验。通过仿真实验教学,可以显著提高学生在机械臂建模和控制器设计方面的能力。     

基于ESO和反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制

针对欠驱动四旋翼飞行器提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)和反步法的轨迹跟踪控制策略.在外界环境干扰和系统参数摄动等不确定性的影响下,保证空间位置和偏航角可以快速平滑地跟踪给定信号.根据系统严格反馈的结构特点,采用反步法设计内外环路的控制器;为避免控制过程中的复杂计算,采用ESO对系统的复合干扰进行在线实时估计,并在控制律中进行实时补偿;为避免反步控制导致的"微分爆炸"问题,减小对系统模型的依赖性,采用了动态面策略,以及为提高系统的鲁棒性,引入了滑模面.稳定性分析表明闭环控制系统是全局渐进稳定的.仿真结果验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性.     

基于干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制方法

针对多关节机械臂难以实现对目标轨迹的高精度跟踪控制的问题,提出了一种基于非线性干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制方法。首先,结合了传统的快速终端滑模控制和非奇异终端滑模控制,不仅可以使跟踪误差在有限时间快速收敛至零且对机械臂建模误差和外界干扰具有强鲁棒性。其次,针对控制输入抖振严重的问题,通过引入非线性干扰观测器技术和饱和函数方法,从而降低了抖振。最后,以三自由度机械臂为研究对象在Matlab/Simulink环境下进行了对比仿真实验,结果表明,相比于现有的线性滑膜和非奇异快速终端滑模控制方案,在存在建模误差、外界干扰和关节摩擦等不确定性的情况下,所设计的控制方法不仅解决了控制输入抖振较大的问题且实现了各关节对期望轨迹的高精度快速跟踪,从而验证了所提出的基于非线性干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制方法的有效性和可行性。     

基于滑模变结构控制的液压伺服系统超低速轨迹跟踪

为了实现液压伺服系统大摩擦力矩下的超低速轨迹精确跟踪,分析了系统中存在的非线性摩擦特性及摩擦模型.针对中空液压电机液压伺服系统,设计了基于趋近率的滑模变结构控制器,进行了阀控中空液压电机伺服系统实验研究.结果表明:滑模变结构控制方案较PD控制策略具有更好的动、静态特性以及对参数变化和外界干扰的鲁棒性,实现超低速下的大摩擦力矩补偿.     

基于海流观测的欠驱动AUV自适应反演滑模轨迹跟踪

欠驱动自主水下航行器AUV在定深的海域中航行,其模型水动力参数存在不确定性,同时还遭受海流等外来因素干扰,对欠驱动AUV的轨迹跟踪精确带来极大的挑战.本文研究海流环境中欠驱动AUV水平方向上的轨迹跟踪控制问题,通过定义固定坐标系和随体坐标系间的转化关系,将海流速度引入欠驱动AUV运动学和动力学方程,建立海流环境中欠驱动AUV的运动学模型和动力学模型;结合期望轨迹得到欠驱动AUV的轨迹跟踪误差方程.在控制器的设计过程中引入自适应率,得到AUV水平面轨迹跟踪的自适应反演滑模轨迹跟踪控制器(ABSMC),同时为降低海流因素对AUV航行轨迹带来的偏差,设计海流观测器对环境中海流速度进行估计.仿真结果表明,该控制器可实现对由水动力参数不确定和外界时变干扰共同组成的系统总不确定性的估计,并弥补传统反演滑模控制理论中需要精确的模型参数和扰动信息的不足,且海流观测器可提升AUV轨迹跟踪的精度.在理论上证明了由海流观测器和轨迹跟踪控制器共同组成的AUV级联控制系统为全局渐进稳定;仿真对比结果显示所提出的基于海流观测的自适应反演滑模控制器能够克服欠驱动AUV模型中水动力参数不确定性、海流干扰及其他未知干扰的影响,跟踪性能优于基于海流观测的反演轨迹跟踪控制器(BTC).     

基于滑模PID的微型旋翼飞行器轨迹跟踪控制

针对微型旋翼飞行器的轨迹跟踪精度不高的问题, 提出一种基于自适应调节PID（Proportion Integration Differentiation）增益的滑模控制器。基于李亚普诺夫稳定性理论, 通过自适应律在线调节PID控制增益参数, 设计饱和函数抑制滑模控制器的高频抖振, 以实现轨迹跟踪误差系统对模型参数变化和外部扰动的鲁棒性。仿真结果表明, 该控制器能驱动旋翼飞行器精确跟踪期望的轨迹, 具有较高的控制精度, 能满足实际工程应用的要求。     

基于非线性干扰观测器的机械臂终端滑模控制

为了在干扰存在的情况下实现对五自由度机械臂的有效控制,提出了一种基于非线性干扰观测器的终端滑模控制策略.通过选择适当的非线性增益函数,干扰观测器能够精确地估计未知干扰,实现对控制器的补偿,降低滑模控制抖振.非奇异快速终端滑模面的设计提高了收敛速度,保证轨迹跟踪误差在有限时间内快速收敛.基于Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性,数值仿真结果验证了所设计方法的有效性.     

基于低通滤波器的机械手滑模控制

机械手是典型的多输入多输出非线性系统,具有时变、强耦合、非线性、快速高精度跟踪等特点.滑模控制是机械手控制的一种重要方法,但基于一般滑模控制方法设计的控制器,其输出存在高频抖动,给被控对象带来不利影响.采用滑模结合低通滤波器的控制策略,定义滑模面,利用趋近律方法设计滑模控制律,基于李亚普诺夫(Lyapunov)函数证明系统的渐近稳定性.以双关节刚性机械手为例,MATLAB仿真结果表明,该控制策略能减小抖动、实现高精度跟踪.     

大摩擦力矩下电液伺服系统高精度控制与实验分析

为了实现大摩擦力矩中空液压马达系统高精度跟踪控制,提出了一种基于滑模状态观测器的变结构控制策略,分析了滑模变结构控制规律和滑模状态观测器的理论与实现方法,采用LuGre动态摩擦模型和滑模观测器实现了非线性摩擦力矩的动态补偿.实验结果表明：在超低速、大摩擦力矩存在的情况下,所提出的控制策略实现了非线性电液伺服系统的高精度轨迹跟踪控制.     

基于扩张状态观测器的机械臂分散自适应模糊控制

针对机械臂控制中各子系统间交联项难于处理的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)和模糊策略的分散控制方法.将机械臂系统考虑为各关节交联子系统的集合,采用扩张状态观测器去实时估计机械臂各关节间的状态、耦合交联项及非线性项,利用模糊系统去逼近机械臂动力学模型中的建模不确定项,从而设计分散自适应模糊控制器以实现机械臂的轨迹跟踪控制,给出了控制器中参数的自适应更新律,并对该控制器进行了Lya-punov稳定性分析.最后将该方法应用于一个4自由度机械臂的轨迹跟踪控制中,仿真结果表明了该方法对处理耦合交联项及在各关节轨迹跟踪控制中的有效性.     

基于滑模观测器的四旋翼无人机全回路解耦控制

针对四旋翼无人机复杂轨迹跟踪控制面临的多通道耦合、强非线性以及多源干扰等问题,考虑四旋翼无人机的位置回路、姿态回路动态跟踪误差和执行机构实现过程,提出了一种全回路轨迹跟踪控制方案。首先,将四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪问题;其次,将不同通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于高阶滑模观测器对其进行估计;然后,基于干扰估计信息和动态逆控制算法,分别在位置和姿态回路构造复合动态逆控制器;最后,将位置回路和姿态回路的虚拟控制量转换为旋翼转速。该文控制方案实现了旋翼无人机位置回路和姿态回路不同控制通道之间的解耦,在保证各个通道设计独立的前提下,实现了轨迹的渐近跟踪。针对圆柱螺旋线轨迹跟踪的仿真结果验证了该文解耦控制方案的有效性。     

欠驱动UUV三维轨迹跟踪的反步动态滑模控制

提出一种欠驱动无人水下航行器(UUV)反步自适应动态滑模控制方法.结合反步和自适应滑模控制技术设计UUV的位置、姿态和时变速度跟踪控制器,采用虚拟速度来代替姿态误差的控制策略,将姿态跟踪控制转化为速度控制,能够有效避免传统反步法控制律设计存在的奇异值问题.针对系统模型不精确及时变扰动问题,引入滑模控制技术进行自适应补偿估计,提高了欠驱动UUV在未知环境中的鲁棒性及自适应能力,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了该控制系统误差最终一致有界.仿真结果表明:提出的UUV三维轨迹跟踪反步动态滑模控制方法收敛、有效,能够实现在系统参数不精确及时变扰动情况下的三维轨迹精确跟踪控制.     

基于终端滑模的多关节机器人跟踪控制

针对具有不确定性干扰的多关节机器人系统的轨迹跟踪控制问题,利用终端滑模控制方法,给出了全局有限时间跟踪控制器设计;首先,根据多关节机器人动力学模型的特点,基于非奇异终端滑模控制技术并利用滑模设计思想,设计了轨迹跟踪滑模控制器;在该控制器的作用下,跟踪误差不仅能够在有限时间内从任意初始状态到达滑动面,而且也能在有限时间内沿着滑模收敛到原点;其次,由于所设计的控制器的非连续性,将会使得系统产生抖振现象;针对这个问题,利用修正的饱和函数来代替控制律中的符号函数,从而消除了系统的抖振问题;最后,仿真算例表明了该方法的有效性。