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.     

永磁同步电机的自适应反步滑模变结构的混沌控制

永磁同步电机的动力学特性表明在一定的条件下PMSM会呈现混沌特性行为.为了控制不良的混沌振动,设计了一个基于自适应反步法的滑模变结构非线性控制器.M atlab数字仿真表明,基于自适应反步法的滑模变结构控制器具有健全的控制性能,它能够消除混沌现象,并能把系统的跟踪误差和参数变化迅速地以指数规律收敛到零,使得系统具有较强的抗干扰性.     

主动式水下拖曳升沉补偿系统的非线性控制

针对主动式水下拖曳升沉补偿系统的非线性时变负载特性,设计一种基于扩展扰动观测器的非线性鲁棒位移控制器。在该控制系统中,将扰动负载分成时变的未知负载与可以建模的负载2部分,并考虑系统动力学的非线性特性,采用滑模控制技术补偿观测器估计误差,通过递推反步法设计主动式升沉补偿器的非线性鲁棒运动控制系统。基于实测的3~4级海况下母船升沉位移对所设计的主动式升沉补偿器开展实验研究。研究结果表明,所设计的控制器在存在负载扰动的情况下实现了精确、迅速且具有强鲁棒性的运动补偿控制,基于本文控制算法的主动升沉补偿器使负载最大升沉位移波动范围由1.40 m衰减至0.01 m,同时缆绳张力最大波动范围由15 k N衰减至1 k N以内,表现出良好的升沉补偿性能。     

无人机对风切变干扰的BSSA控制器的设计

为了克服四旋翼无人直升机在飞行过程中受到风切变干扰而不稳定的问题,设计出了反步滑模自适应控制器。首先建立无人机在风切变中的动力学模型,之后将反步自适应控制与滑模控制方法结合,推导并设计出反步滑模自适应控制器,最后在Simulink中进行仿真实验。实验结果表明,在风切变的作用下反步滑模自适应控制器(BSSA)与反步自适应控制器(BSA)相比,反步滑模自适应控制器能够进一步缓解风切变对无人机造成的影响,具有更强的鲁棒性。     

一种可用于“菲涅耳”光学助降装置稳定平台的并联机构设计

针对"菲涅耳"光学助降装置稳定平台的要求,提出一种能够实现一个方向移动和两个方向转动的空间3自由度并联机构.在航母横摇角、纵摇角以及升沉位移已知的条件下,通过并联机构的运动学分析可以求得驱动滑块的位移方程.分析结果表明该机构适用于"菲涅耳"光学助降装置稳定平台机构.     

欠驱动船路径跟踪的反演自适应动态滑模控制方法

针对欠驱动水面船的路径跟踪控制系统,提出一种反演自适应动态滑模控制方法。该系统由船舶艏摇非线性响应模型和Serret-Frenet误差动力学方程组成,并考虑建模误差和外界干扰力等不确定性。经过简化处理,将原欠驱动系统的控制问题转化为非线性系统的镇定问题。同时,基于反步方法和动态滑模控制理论,设计自适应动态滑模控制器。通过理论分析,证明在该控制器作用下,路径跟踪控制系统是全局渐近稳定的。仿真试验表明:该控制器对系统参数摄动和外界干扰不敏感,具有强鲁棒性和自适应性。     

船舶航向跟踪系统自适应滤波反步终端滑模控制

针对船舶航向非线性系统,提出了一种基于自适应滤波反步法的终端滑模控制器. 系统由二阶非线性野本模型和舵机响应模型串联组成,考虑了模型不确定性和外部干扰等未知项,并由模糊系统对未知项进行在线逼近. 首先引入二阶低通滤波器,避免了对虚拟控制律的解析求导,从而简化了反步控制器的设计,而且滤波器的低通特性可大大减小测量噪声的影响;然后利用滤波反步法的结果设计了终端滑模面,并最终得到了使系统跟踪误差有限时间收敛的终端滑模控制器. 根据Lyapunov理论证明了闭环系统所有误差变量均是一致最终有界的. 仿真结果验证了所提方法的有效性.      

基于干扰观测器的AUV深度自适应终端滑模控制

针对欠驱动自治水下机器人（autonomous underwater vehicle,AUV）在外部干扰和系统内部扰动下深度难以控制的问题,提出基于非线性干扰观测器（nonlinear disturbance observer,NDO）的自适应终端滑模控制方法。首先建立欠驱动AUV在垂直面上的状态方程并对其简化,其次根据简化后的系统状态方程构建NDO对外部干扰进行观测,再结合反步法设计出自适应终端滑模控制器;最后通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制系统的稳定性。结果表明：欠驱动AUV最大跟踪误差为0.137 5 m,峰值时间为2.1 s,证明了所设计的控制器能够实现深度控制,降低抖振,具有较强的鲁棒性。     

高速滑行艇“海豚运动”现象的实时数值预报方法

基于计算流体力学软件FLUENT及滑行艇纵向运动方程,编写了耦合求解滑行艇纵向运动响应特性的数值预报程序,进行了均匀来流中三维滑行艇模型"海豚运动"现象的数值模拟,分析了滑行艇在不同航速及重心位置条件下的升沉、纵摇运动特性.结果表明:当滑行艇的重心与艇艉的距离lg=0.231L(L为艇长),体积Froude数Fr▽≥2.7时,滑行艇出现"海豚运动"现象,且艇体的升沉量、纵倾角和响应频率均随着航速的增加而增大;当Fr▽=5.0,滑行艇重心处于lg=0.381L,0.351L时均出现"海豚运动"现象,且其升沉量、纵摇角的幅值和响应频率均随着重心纵向位置移向艇艉而增大.     

基于反步法和滑模观测器的船舶航向控制

针对船舶航向控制系统中船舶参数不确定性以及外界干扰随机性的特点,提出r一种将反步法和非线性滑模观测器相结合的控制方法.其中利用二阶滑模观测器对船舶转首角速度进行观测.由于观测器在有限时问内收敛,可将观测器和控制器进行独立设计,避免了对系统建立精确数学模型的要求.同时利用反步法进行控制器设计,保证了闭环系统的全局渐近稳定.仿真结果表明,所设计的控制器不仅能保证系统稳定跟踪期望信号,而且对给定的扰动量能准确观测,从而提高了系统的鲁棒性.     

基于干扰观测器的小卫星自适应积分滑模姿态控制

针对飞轮摩擦力矩和外界干扰力矩对小卫星姿态控制精度的影响,设计了一种自适应积分滑模控制器。首先通过设计干扰观测器来补偿飞轮摩擦力矩,并给出了干扰观测器能稳定工作的条件。针对滑模控制器存在的抖振问题,通过对切换增益设计自适应律来减弱抖振,然后基于干扰观测器和自适应律设计了自适应积分滑模控制器,理论证明了该控制器的稳定性。最后通过对小卫星姿态控制进行数字仿真,在控制器作用下,小卫星实现了 0.001°的控制精度,同时具有较小的抖振幅度,证明了所设计控制器的优越性。     

融合反步法的无人驾驶汽车轨迹跟踪控制方法

为了解决无人驾驶汽车轨迹跟踪控制的准确性、稳定性和快速性问题,将反步法分别融合滑模变结构控制和模糊自适应控制.建立车辆三自由度运动学位姿误差微分方程,推导了基于反步法的车速和横摆角速度控制律,结合Lyapunov稳定性判据验证了系统稳定性.分别建立融合反步法的滑模变结构和模糊自适应轨迹跟踪控制方法,结合轨迹跟踪稳态误差、超调量和调整时间,验证、比较了控制方法准确性、稳定性和快速性3种性能的优劣.结果表明：融合反步法的滑模变结构轨迹跟踪控制的稳定性最好,轨迹跟踪超调量接近于0;融合反步法的模糊自适应轨迹跟踪控制快速性最好,轨迹跟踪调整时间相对于反步法缩短了18.2%.     

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.     

高超声速飞行器自适应高阶终端滑模控制

针对高超声速飞行器的纵向运动模型,研究了飞行器输出跟踪控制问题,提出了一种将动态逆方法与高阶终端滑模控制相结合的鲁棒自适应控制方法.首先,利用反馈线性化方法对高超声速飞行器纵向模型输入输出线性化;通过设计具有全局鲁棒性的终端滑模面,提高系统的输出收敛速度;同时,采用自适应高阶滑模控制律,在不确定上界未知条件下对其进行自适应估计,从而实现控制器增益的实时在线调整,减少系统抖振;最后,基于Lyapunov理论证明了此控制策略可以保证闭环系统稳定.仿真结果表明,所设计的控制器能够实现高超声速飞行器纵向爬升机动中速度和高度的稳定跟踪控制.     

基于观测器的深海起重机互补滑模主动升沉补偿

针对深海起重机主动升沉补偿系统的非线性时变负载特性,在互补滑模控制器的基础上利用扰动观测器补偿扰动,实现主动升沉补偿。首先,将复合扰动分为匹配扰动和非匹配扰动两部分,采用互补滑模控制器对匹配扰动进行补偿,并降低系统稳态误差;同时设计扰动观测器对非匹配扰动的导数及其一阶、二阶导数进行估计,补偿至滑模控制律。最后采用MATLAB软件对深海起重机进行建模,搭建基于扰动观测器的互补滑模控制器,在给定负载位移条件下,进行负载位移跟踪仿真研究。结果表明,所设计的控制器在不同系统参数的情况下可实现迅速和精确的补偿控制,并与PID控制器进行对比,有更好的响应速度和控制效果,与普通滑模相比可缩短到达滑平面的时间。     

欠驱动AUV自适应神经网络反步滑模跟踪控制

针对存在参数不确定性和外界未知干扰的欠驱动自主水下航行器(AUV)三维路径跟踪问题,提出一种基于神经网络的反步滑模控制策略.首先,利用虚拟向导的方法建立了欠驱动AUV三维路径跟踪误差模型;其次,基于李雅普诺夫稳定性理论,利用反步法和滑模控制方法设计一种自适应鲁棒控制器,并设计一种在线调节增益切换函数以降低系统抖振,同时采用径向基函数(RBF)神经网络控制技术对AUV系统中不确定参数以及外界非线性干扰进行自适应补偿估计,而后利用李雅普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性;最后,针对一种新型飞翼式欠驱动AUV进行数值仿真实验,结果表明所设计控制器可以实现对三维路径的精确跟踪,并对外界非线性干扰具有良好的鲁棒性.     

基于图像识别技术的水下机器人关键技术研究

针对水下机器人水下精准操作能力不强，在浪涌干扰下产生横摇运动，且姿态调节过程中易产生抖振，推进电机在机壳外部降低系统可靠性等问题，设计了一款具有自动目标探测与定位，并可实现精准水下操作的智能机器人.其中动力系统中的浮力调节系统通过改变系统自身重心实现姿态纵倾角的调节，采用滑模控制方法实现了姿态的稳定，加入干扰控制器减弱了抖振；采用柔性轴传动水下螺旋桨推进装置，有效避免了电机水密与不对中力的传递难题，增强了系统的可靠性，避免损坏连接部件.图像采集处理系统采用图像增强和图像滤波技术对获取的图像进行预处理，通过边缘检测和特征提取实现对既定目标的搜寻与锁定.     

侧壁式气垫船升沉运动鲁棒自适应滑模控制

考虑具有动态参数不确定和时变海浪扰动的侧壁式气垫船升沉运动控制问题,将自适应技术与滑模控制方法相结合,设计侧壁式气垫船升沉运动鲁棒自适应滑模控制律.应用自适应技术设计自适应律,估计由动态参数不确定和时变海浪扰动构成的不确定项的未知界;基于不确定项界的估计,应用滑模控制方法,设计鲁棒自适应控制律,并用边界层方法消除滑模控制引起的抖振现象.理论上证明了所设计的控制律能够降低侧壁式气垫船升沉运动幅值,保证侧壁式气垫船升沉运动闭环控制系统中的所有信号是一致最终有界的.最后,基于一艘挪威海军的侧壁式气垫船的仿真研究验证了所设计的侧壁式气垫船升沉运动鲁棒自适应滑模控制律的有效性.     

金属壳谐振陀螺大量程角速率信号检测方法研究

针对传统多回路角速率检测方法无法适应金属壳谐振陀螺大量程应用的难题,提出基于自适应滑模变结构控制器的大量程角速率信号检测方法.通过对典型金属壳谐振陀螺的动力学方程进行分析,建立出包含干扰和参数摄动部分的状态方程;采用指数趋近律选取比例积分滑模面,设计出一种适用于金属壳谐振陀螺的滑模控制器,可有效估计大量程角速率信号.仿真及试验结果表明,该解算方法能够稳定控制金属壳谐振子振型,并能准确检测大量程角速率,满足金属壳谐振陀螺的大量程环境应用.      

八旋翼微型飞行器的自适应滑模控制器设计

八旋翼微型飞行器的不确定性导致很难获得稳定的控制。鉴于此,提出一个稳定的八旋翼微型飞行器的姿态控制策略以适应系统的不确定性因素和外部干扰。首先,采用区间二型模糊神经网络来逼近八旋翼微型飞行器动力学模型中的非线性和不确定性函数。然后,用李诺夫稳定性定理证明闭环系统的渐近稳定性,并利用对区间二型模糊神经网络和滑模控制增益进行在线调整。仿真结果表明,基于区间二型模糊神经网络的自适应滑模控制器能够保证在不确定性因素和有外部干扰的情况下保证八旋翼微型飞行器控制系统的良好性能,与传统的自适应滑模控制器及基于区间一型模糊神经网络的滑模控制器相比,性能显著提高。