柔性二级倒立摆的准滑动模态控制研究

柔性二级倒立摆是一个高阶非线性强耦合的自然不稳定系统,为了对其进行稳摆控制,基于建模机理建立了柔性二级倒立摆数学模型,提出准滑动模态控制方法,设计了滑模变结构控制器,使系统具有较好的稳摆控制和鲁棒性.仿真结果表明:基于准滑动模态控制的滑模变结构控制方法能够更好地实现倒立摆稳定控制;比传统指数趋近率的滑模控制器输出更加平滑,削弱了抖振.     

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.     

基于滑模与状态反馈模糊加权控制的气动伺服焊枪柔性接触研究

在焊枪电极接近运动过程中,期望接近速度大且在接触面附近快速降速以减小接触时的冲击力,实现一种柔性接触,对于提高焊接的效率和质量具有很重要的作用. 滑模控制虽然能有效降低焊枪电极接触力,但所用时间较长. 本文将基于模糊逻辑的滑模与状态反馈加权控制运用到气动伺服焊枪系统中,在建立系统模型的基础上设计滑模切换函数和滑模控制律,通过极点配置的方法设计状态反馈控制器,之后基于模糊控制设计滑模与状态反馈模糊加权控制器,最后通过实验验证提出的控制策略. 实验结果表明设计的控制器控制效果优于最大量控制和滑模控制,可有效实现柔性接触.      

自由漂浮柔性空间机械臂抗扰控制

自由漂浮柔性空间机械臂的基座不受控,在外太空环境中不仅会受到如关节处摩擦力矩等匹配干扰的影响,还会受到如太阳辐射等非匹配干扰的影响。为了保证柔性空间机械臂系统的稳定及末端轨迹跟踪的精准,对其抗干扰控制方法进行研究。基于奇异摄动法,将柔性空间机械臂系统解耦为刚性与柔性子系统,将非匹配干扰转化为匹配干扰,以便在控制通道对其进行补偿。对分解后的两个子系统,分别设计了带有干扰补偿的计算力矩控制器和滑模控制器,分别实现末端轨迹跟踪和柔性模态快速镇定。通过仿真验证了所提控制方法的有效性。     

一类欠驱动系统的解耦滑模控制方法

针对一类欠驱动系统的稳定控制问题,提出了一种解耦滑模控制器的设计方法.首先将整个系统分成2个子系统,分别设计2个子系统的滑动面.然后利用其中一个子系统滑动面的反正切函数来构造一个中间变量,将该变量引入到另一个子系统的滑动面中,进而构造出整个系统的滑动面.最后利用等效控制法求取系统在该滑动面上的等效控制量,并采用李雅普诺夫稳定性定理设计系统的切换控制量,从而获得系统最终的控制输入量.该方法解决了传统解耦滑模控制方法中存在的控制系统稳定性无法保证的问题,并可简化解耦滑模控制器的设计.从理论上分析了系统各个滑动面的渐近稳定性,并且通过桥式吊车系统的仿真实验验证了该方法的有效性.     

CACA优化的滑模观测器在IPMSM调速中的应用

针对传统滑模观测器抖振现象严重且控制速度慢等问题,利用蚁群算法优化滑模观测控制器.为提高蚁群算法的搜索速度以及全局最优解的寻优能力,将混沌思想与蚁群算法相结合并对其进行优化,同时对改进的混沌蚁群算法优化滑模观测器的增益进行优化,以提高基于滑模观测器控制的内埋式永磁同步电动机转速控制系统的动态响应特性和转速估计精度.最后通过仿真对所提出的改进方法进行验证,结果表明基于混沌蚁群算法优化的转速控制系统在转速控制方面具有更快的响应速度,更低的转速估算误差以及更好的稳态精度,充分说明该方法的有效性.     

基于快速终端滑模的汽车底盘集成控制

针对汽车主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统的集成控制问题,基于快速终端滑模控制理论设计一种标定参数少和动态响应速度快的鲁棒集成控制器.首先,基于达朗贝尔原理建立包含车身侧向和横摆运动自由度的汽车动力学模型作为底盘集成控制模型.随后,基于快速终端滑模控制理论分别设计主动前轮转向控制律和直接横摆力矩控制律,并且通过汽车质心侧偏角相平面定义的平滑切换因子建立二者的切换规则,实现主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统的平滑切换控制,并且将主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统的主要工作区域分别控制在轮胎的线性区域和非线性区域.最后,结合车辆动力学仿真软件对所提出的鲁棒集成控制器的可行性和有效性进行验证,结果表明:所提出的底盘集成控制器可以同时兼顾汽车操纵稳定性和乘坐舒适性.     

柔性航天器快速机动过程主动振动与姿态控制方法研究

针对柔性航天器挠性附件振动与姿态机动耦合降低控制精度的问题,给出了一种混合分力合成主动振动控制方法,给出了若干定理并进行了理论证明.其次,系统参数波动及随机干扰因素不可忽略,对经典滑模控制器进行优化,形成一种新型自适应-滑模变结构控制器.为应对控制力矩抖振和系统参数鲁棒性差等缺点,引入新型滑模边界层和力矩更新率.最后,提出了将混合分力合成方法与姿态控制相结合的策略.借助压电智能材料实现两者的联合应用.仿真结果表明,改进的滑模变结构控制器可有效降低参数变动及外干扰影响,结合混合分力合成方法后,柔性附件残余振动得到了明显的控制,进一步提高了姿态精度.     

固定时间扩张状态观测器下的四旋翼飞行器滑模控制策略

针对滑模控制中系统状态接近滑模面后存在的抖颤现象,提出一种基于固定时间扩张状态观测器(FTESO)的二阶滑模控制策略.首先,设计全驱动子系统及欠驱动子系统的控制结构中的二阶滑模控制器;然后,通过FTESO对内部的参数不确定及外部扰动进行观测,在一定时间上限内收敛到观测值,利用观测值对控制器进行补偿,从而减少甚至消除抖颤现象;最后,通过李亚普诺夫函数保证设计的四旋翼飞行器系统的闭环稳定性,并进行仿真实验.结果表明：文中提出的控制策略具有优越性.     

两轮自平衡车的自适应模糊滑模控制

针对两轮自平衡车的平衡控制问题,文章提出一种自适应模糊滑模控制方法。将整个平衡控制系统分为摆角子系统和位移子系统;利用分层滑模控制策略推导出系统总的控制律;针对控制律中存在的系统不确定部分,利用模糊逻辑的万能逼近功能进行估计,并基于Lyapunov方法设计相应的自适应律;考虑到线性滑模面斜率对于系统性能的影响,采用模糊控制方法对其进行调节,进一步改善了控制系统的品质。仿真结果验证了该控制方法的有效性,而且优化后的控制器具有较好的控制效果和鲁棒性。     

地震作用下高层建筑结构多重叠分散滑模控制

文章将重叠分散控制方法和滑模控制算法相结合,提出了地震作用下高层建筑结构多重叠分散滑模控制方法。基于包含原理,将地震作用下高层建筑结构振动控制系统分解成一系列子系统,针对每个子系统设计分散滑模控制器,通过收缩分散滑模控制器到原状态空间,获得多重叠分散滑模控制器。采用直接驱动方案和层间驱动方案,对某20层Benchmark结构模型进行数值模拟与计算。数值仿真结果表明,重叠分散控制、2次重叠分散控制和多重叠分散控制都获得了与集中控制相近的控制效果,减少了计算成本,增加了控制器设计的灵活性。     

综合电机特性的柔性关节空间机器人全阶滑模控制

研究柔性关节空间机器人轨迹跟踪及关节柔性振动主动抑制问题.导出综合电机特性的动力学模型,且基于奇异摄动理论将其分解为快、慢变子系统.针对快变子系统,采用速度差值反馈控制;针对慢变子系统,提出一种基于径向基神经网络的全阶滑模控制.其中径向基神经网络用于逼近系统未知非线性项,全阶滑模兼备结构简单、鲁棒性强等优点的同时,还能克服抖振问题.系统数值仿真结果证明了所提方案的有效性.     

基于多目标遗传算法的主动悬架滑模控制器设计

为提高车辆的乘坐舒适性和行驶稳定性,针对主动悬架的车身垂直加速度、悬架动行程和轮胎动载荷性能冲突,以及考虑参数不确定与外界干扰带来的鲁棒性问题,本文拟采用滑模控制方法对汽车非线性主动悬架进行主动减振控制研究,并结合多目标遗传算法对滑模控制器进行多目标参数优化.首先,根据1/4车辆主动悬架系统模型利用Lyapunov稳定性理论进行滑模控制器设计;其次,基于滑模控制到达条件和滑模面的稳定条件,结合Hurwitz稳定判据选择合适的滑模面参数;然后,为改进滑模控制方法中按经验选取参数时的不足,采用多目标遗传算法对滑模控制器参数进行多目标优化;最后,进行数值仿真模拟.仿真结果表明,采用多目标遗传算法对滑模控制器进行参数优化后显著地改善了汽车的乘坐舒适性和行驶稳定性,对汽车非线性主动悬架的减振控制起到了一定的推动作用.     

旋转柔性智能结构振动滑模控制方法研究

基于Hamilton原理和高阶模型理论,建立了旋转刚柔耦合智能结构的动力学模型,并通过滑模变结构控制(SMC)对结构的振动进行控制.通过一阶近似模型理论考虑了结构轴向、横向和转角相互间的耦合作用,即考虑了柔性梁和智能材料的几何非线性.利用有限元方法得到了考虑离心刚化效应的有限维模型.利用滑模控制方法对结构的振动进行抑制.滑模面通过最优化方法得到.数值仿真结果表明滑模控制方法有效地控制了带有参数扰动的旋转柔性智能结构振动.     

基于滑模控制的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机,研究了基于滑模控制的轨迹跟踪问题.根据无人机复杂的数学模型,首先利用单位四元数法描述系统姿态,再将其分解为位置和姿态两个子系统;通过引入中间控制输入,跟踪三个自由度的位置信息;考虑到位置和姿态子系统分别受到干扰力和干扰力矩的影响,设计了鲁棒反演滑模控制器,保证了对目标轨迹的稳定跟踪.仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

基于神经网络及综合电机特性的柔性关节空间机器人全阶滑模控制

研究了载体位置、姿态均不受控的自由漂浮柔性关节空间机器人机械臂轨迹跟踪及关节柔性振动主动抑制问题,利用系统动量、动量矩守恒关系及第二类Lagrange法,并综合考虑关节驱动电机特性,导出了其全系统动力学模型;然后基于奇异摄动理论将该动力学模型分解为描述机械臂刚性运动的慢变子系统及描述关节柔性振动的快变子系统,并结合关节电机输出力矩与电枢电流的关系,将对控制力矩的设计转化为对电流控制的设计。之后,针对关节柔性振动快变子系统,采用速度差值反馈控制方案对其进行了振动主动抑制;针对机械臂刚性运动慢变子系统,则基于RBF神经网络提出了一种全阶滑模控制方案;其中RBF神经网络用于逼近由系统不确定参数带来的未知非线性项,全阶滑模控制方案的引入在于使控制系统在兼备传统滑模控制方案鲁棒性强特点的同时,还能克服抖振问题。最后,系统数值仿真结果说明了所提方案的有效性。     

基于扩张状态观测器的轮式移动机器人全阶滑模控制

针对存在模型参数摄动和外部有界扰动不确定因素影响下的非完整移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种基于扩张状态观测器的全阶滑模移动机器人轨迹跟踪控制方法.通过坐标变换将耦合的系统动力学模型转化为2个独立的子系统,再将模型参数摄动和外部有界扰动不确定因素扩张为一个新的变量,进而分别对2个子系统设计扩张状态观测器用于估计并补偿系统的总和扰动,抑制其对系统控制性能的影响,结合滑模控制理论设计基于扩张状态观测器的全阶滑模控制器,保证系统输出稳定跟踪给定信号且消除传统滑模控制中抖振突出的问题,提高系统滑动模态的品质.仿真对比结果验证了所设计控制方法的优越性和有效性.     

采用逆系统方法的混合有源电力滤波器逐步反推滑模控制

提出一种基于逆系统方法的逐步反推(backstepping)滑模控制策略.在明确混合有源电力滤波器(SHAPF)的仿射非线性模型具有强耦合非线性特点后,利用逆系统方法进行线性化解耦,与原系统复合形成2个独立的伪线性子系统.设计伪线性子系统建模和参数不确定性误差的backstepping滑模控制器.与传统控制策略的仿真对比表明:所提控制策略可进一步提高SHAPF的滤波性能.     

风光互补发电系统的监督预测协调控制

针对风光互补发电系统的功率平衡与经济调度问题,基于模型预测控制理论提出一种监督协调控制方法。首先,针对风力发电的非线性特征,设计滑模变结构控制器,使其在全工况下可以很好地响应负荷变化;其次,设计光伏发电的滑模变结构控制器,对其进行最大功率点控制,提高光伏子系统的转换效率,降低光伏发电成本。在此基础上,基于风力发电优先、光伏发电配合、必要时蓄电池补充的原则,选择合理的目标函数,设计监督预测控制器进行协调控制,将监督预测控制器的输出作为各子系统的参考输入,对系统进行智能管理。研究结果表明:在复杂的气象条件和变负荷扰动下,所提出的监督预测控制方法可以合理地分配子系统的输出功率,既可满足负载的需求,还可限制子系统输出功率的过大波动,保护发电设备。     

不确定分数阶Genesio混沌系统的反演滑模同步

针对带有参数不确定与外部扰动的分数阶Genesio-Tesi混沌系统,采用反演控制和滑模控制相结合的策略,设计了一种新的分数阶反演滑模控制器,实现了此类分数阶混沌系统的同步问题。首先,基于反演设计方法给出子系统的李雅普诺夫函数和虚拟控制量;其次,在反演设计过程中引入滑模变结构控制策略,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计能够使分数阶驱动Genesio系统与分数阶响应Genesio系统全局渐近同步的分数阶反演滑模控制器。所设计的控制器为单一控制器,在实际应用中与多输入控制相比更易于实现系统的同步。最后,通过数值仿真验证了所设计的分数阶反演滑模控制算法对于参数不确定与外部扰动的鲁棒性及控制器设计方法的有效性。