一种滑模控制新型幂次趋近律的设计与分析

针对传统趋近律存在的抖振问题,以及全局收敛速度较为缓慢的情况,本文通过对以往的多种幂次趋近律和指数趋近律进行对比分析,提出了一种新型幂次趋近律.该趋近律在以往幂次趋近律的基础上通过函数改进和新型函数的引入,实现了系统的快速收敛和无抖振.首先,新型幂次趋近律通过改进变指数项,在避免了系统收敛到滑模面时变指数项存在的抖振问题的同时,保留了变指数项在系统远离滑模面时优于比例项和幂次项的快速收敛性.其次,新型幂次趋近律引入了正切函数,在初始状态可知的条件下通过调节正切函数参数能够实现系统更快速的收敛性.本文通过理论证明了新型幂次趋近律能够实现系统快速收敛到滑模面且无抖振,并提出了趋近律中的参数设定方法,保证了系统在有界扰动条件下能够实现有限时间内快速地收敛到期望稳态精度.最后,通过对多种趋近律进行对比仿真验证了该趋近律的有效性,并通过系统在有界扰动下的仿真验证了参数设定方法的正确性,航天器姿态机动控制仿真进一步验证了新型幂次趋近律和参数设定方法的有效性和正确性.     

基于新型变指数趋近律的智能小车轨迹跟踪

针对一种跟踪运动精度低、鲁棒性弱的新型智能滑模小车的轨迹跟踪运动控制问题,提出了基于新型变指数趋近律的小车轨迹跟踪运动控制器的研究方法。该方法在趋近律中加入了变指数幂次项,且能保证趋近律在限时间内稳定运行来限制抖振现象,使小车在趋近阶段中按不同趋近速度做自适应调节。通过对滑模小车的运动学模型进行坐标变换,建立小车轨迹面的跟踪收敛误差模型,接着根据Lyapunov稳定性理论和新型趋近律的跟踪全局有限性和时间收敛误差性建立滑模面,设计跟踪误差控制律。控制小车的线速度和角速度使轨迹跟踪误差迅速趋近到0,来实现其对给定期望轨迹的快速跟踪。最后采用MATLAB仿真软件进行系统控制特性的仿真研究,通过对比双幂次趋近律的滑模控制方法验证实验的有效性。     

基于变幂次趋近律的滚珠丝杠进给系统滑模控制

为了解决滚珠丝杠进给系统滑模控制的抖振问题并提高系统跟踪性能,提出了一种基于变幂次趋近律的滑模控制方法.所设计的非线性干扰观测器能精确地观测出是否满足匹配条件的干扰.采用改进的变幂次趋近律提高了滑模函数的收敛速度,改善了运动品质.在控制律中设计积分补偿项消除了匀速段的稳态误差.仿真及实验结果表明:基于指数趋近律方法的最大跟踪误差仿真值与实验值分别为3.40和17.77μm,基于改进的变幂次趋近律方法的最大跟踪误差仿真值与实验值降低至2.79和11.00μm.控制电压信号中的抖振明显削弱,且增加外部干扰后仍能维持高精度.仿真及实验结果证明了基于变幂次趋近律的滚珠丝杠进给系统滑模控制方法能够有效消除抖振及匀速段的稳态误差,提高跟踪精度,且对外部干扰具有强鲁棒性.     

一种改进的柔性关节机械臂分级滑模控制

为实现多自由度柔性关节机械臂高精度定点控制和振动抑制,提出了一种改进的分级滑模控制算法.该算法借鉴分级滑模的思想,分别根据减速器输出角和关节角设计第一级滑模面,然后根据第一级滑动模态设计第二级滑模面.采用双幂次趋近律,使滑动模态无论是远离还是接近滑模面时都具有很快的趋近速度,而且控制力矩的抖振小,动态性能好.应用李雅普诺夫理论证明了所设计的控制器能够保证二级滑动模态有限时间有界稳定,进而一级滑动模态和系统状态也是有限时间有界稳定.数字仿真结果表明,所提控制算法与未改进之前相比,关节角的响应时间快1 s,并且提高了定点控制的精度,有效减小了抖振.     

基于改进滑模变结构的加筋板振动控制研究

针对外部持续激励下加筋板振动滑模变结构控制系统进入稳态的时间较长,且存在抖振现象的问题,在传统幂次、指数趋近律的基础上,构建新的自适应因子,形成了一种改进趋近律滑模变结构控制算法,并证明其收敛性.分析3种不同趋近律对系统振动控制的效果,仿真和实验结果表明,改进后的方法取得了比传统滑模变结构算法更优的控制效果,能在一定程...     

面向永磁同步电机负载转矩观测的自抗扰改进滑模控制

针对传统永磁同步电机滑模控制中存在的滑模抖振大及响应速度慢的问题,设计了一种新型趋近律,在传统指数趋近律的基础上加入可变比例系数并引入系统状态变量和滑模面的幂次项,减小抖振的同时提高了趋近速率。随后,为了避免引入转速误差的微分项,减小系统高频抖振,采用积分滑模面,设计了永磁同步电机改进滑模速度控制器。针对控制策略中负载扰动波动会导致系统控制精度降低、抖振增大的问题,设计了一种基于新型饱和函数的扩张状态观测器估计负载扰动,并将扰动估计值前馈至改进滑模控制器中,进一步提高了系统的抗扰性能。数值仿真结果表明：所提出的控制策略可显著提高电机动态性能和抗扰性。在电机受负载转矩波动影响时,比PI控制电机超调量减小约23.1%,响应速度提高62.5%,比传统滑模控制电机超调量减小约15.3%,响应速度提高50%。新型滑模趋近律还可以有效降低滑模抖振,与传统滑模控制器相比,采用改进滑模控制器电机抖振降低约50%。     

基于趋近律的力矩电机终端滑模轨迹跟踪控制

针对终端滑模控制的抖振及收敛缓慢问题,提出一种基于改进趋近律的快速非奇异终端滑模控制(FNTSM)策略,将提出的控制策略应用于直流力矩电机的跟踪控制,设计了FNTSM轨迹跟踪控制器.仿真结果表明:在负载扰动力矩影响下,该算法能有效地抑制抖振,准确跟踪目标轨迹,使跟踪误差在有限时间内收敛到零;此外,与基于指数趋近律、快速平滑趋近律的普通非奇异终端滑模相比,具有更好的趋近性能和更快的收敛速度,验证了所提算法的有效性和优越性.     

连续时间系统滑模趋近律的改进

分析了连续时间系统传统趋近律的优缺点,提出了一种新的趋近律.该趋近律以切换函数绝对值的取值1为界,切换函数绝对值大于1和小于或等于1时分别采用2种不同的趋近律,进一步加快了系统状态趋近切换面的速度,同时保留了指数趋近律当系统状态靠近切换面时速度渐缓有利于减小系统抖振及幂次趋近律平滑进入切换面的优点,并利用台车式倒立摆模型了作了仿真,仿真结果验证了新的趋近律的有效性.     

基于自适应趋近律的滑模控制方法

为了提高系统的动态性能和稳态精度,在幂次趋近律和变速趋近律基础上提出一种自适应趋近律.当系统状态变量距离滑模面较远时,幂次项起主要作用,保证趋近速度足够大;当系统状态变量距离滑模面较近时,变速项起主要作用,随系统状态变量自适应调节滑模面参数,直至系统状态轨迹运行到稳定点.趋近律具有二阶滑模特性,可在有限时间内到达滑模面.当系统出现有界外部干扰时,系统状态及其导数可快速收敛到平衡点附近的邻域内.仿真结果表明:提出的自适应趋近律能够有效提高系统动态性能和稳态精度,增强系统鲁棒性.     

直流微网中级联变换器改进滑模控制策略

针对恒功率负荷的负阻抗特性易导致前级变换器输出电压不稳定的问题,设计了一种基于多幂次趋近律的滑模控制方法以稳定输出电压。多幂次趋近律可以使系统状态变量在趋近设计的滑模面的过程中根据实际的位置自适应的调节速度,在保证鲁棒性的同时缩短系统运动到滑模面的时间并减小抖振。在MATLAB/simulink中进行仿真,验证了提出的控制方法可以保证级联系统的输出电压满足控制目标要求并具有较快的响应速度;受到扰动时也能很快回到稳定状态,鲁棒性好。     

基于改进滑模趋近律的航空发动机控制器设计

将多幂次滑模趋近律用于航空发动机控制,设计了基于滑模控制方法的航空发动机追踪控制器。针对多幂次滑模趋近律在航空发动机追踪控制中出现的高频振荡问题,提出了一种改进的多幂次滑模趋近律。基于改进多幂次滑模趋近律的追踪控制仿真表明,改进的多幂次滑模趋近律适用于航空发动机追踪控制,该方法不仅具备了多幂次滑模趋近方法响应速度快、鲁棒性好的优点,而且消除了控制中的高频振荡现象。     

基于固定时间非奇异终端滑模的汽车主动前轮转向系统控制

针对汽车主动前轮转向系统(active front steering, AFS)中的安全控制问题,提出一种基于固定时间非奇异终端滑模的主动前轮转向控制器.将固定时间终端滑模与幂次趋近律相结合设计一种新的固定时间非奇异终端滑模控制器,以实现系统的快速稳定控制和削弱系统稳态时的抖振,使得闭环系统的收敛时间仅取决于滑模面及控制器的参数设计,而与系统的初始值无关.基于Lyapunov稳定性理论验证了闭环系统的稳定性.仿真结果表明,所提固定时间终端滑模控制方法的快速性和稳定性均优于传统滑模控制和PI控制方法.     

基于新型趋近律和扰动观测器的永磁同步电机滑模控制

为了提高永磁同步电机的转速控制性能,克服扰动对伺服控制的影响,提出了一种基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法.设计了一种新型趋近律,以解决传统趋近律滑模面趋近时间和系统抖振之间的矛盾,提高系统响应快速性.综合考虑系统存在内部参数摄动和外部负载扰动,设计了滑模扰动观测器,并将观测值前馈补偿到速度控制器输出端;将观测器切换增益设计为扰动观测误差的函数,以削弱滑模观测值抖振.仿真结果显示,与传统趋近律相比,采用新型趋近律可有效提高系统的响应速度,快速准确的跟踪速度阶跃信号;滑模观测器可准确的观测系统扰动的变化;当系统加入负载扰动时,PI控制最大转速波动值为75 r·min-1,而基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制最大转速波动值较小为30 r·min-1,鲁棒性更好.实验结果显示,采用基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法可以快速跟踪400 r·min-1的速度指令,调节时间为0.12 s,稳态跟踪误差为±4 r·min-1,且转速无超调;滑模观测器可准确无超调的估计系统扰动值,进一步提高系统的抗扰动性能;当电机以400 r·min-1稳速运行时,加入0.6 N·m的负载扰动,基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法最大转速波动为23 r·min-1,与PI控制相比,转速波动减小了8%.上述仿真和实验结果具有较好的一致性,表明基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法可以有效抑制滑模控制系统的抖振,提高转速控制系统的鲁棒性和动态响应性能.     

Acrobot系统基于滑模的离散时间变结构控制

研究了将离散时间变结构控制应用于Acrobot系统的平衡控制器设计的问题.首先给出了Acrobot在垂直向上平衡点处的离散化数学模型.分析了离散指数趋近律存在抖振的机理,针对其不足给出了一种改进的趋近律,并将其应用于Acrobot系统的控制中,设计了离散时间变结构平衡控制器.仿真结果表明,改进的趋近律可有效地减小系统的抖振,并保证系统渐近稳定,实现了Acrobot系统基于滑模的离散时间变结构控制.     

过失速机动变指数趋近律UAS-SMC设计

针对常规指数趋近律单向辅助面滑模控制中存在的抖振问题, 提出了一种基于变指数趋近律的单向辅助面滑模控制方法。针对系统控制量变化时飞机模型发生跳变的问题, 进行T-S 模糊建模, 以保证非线性系统在控制区间上的平滑性; 在对UAS-SMC(Unidirectional Auxiliary Surfaces-Sliding Mode Control)方法进行分析的基础
上, 给出了一种变指数的趋近律; 结合飞机模型和变指数趋近律, 设计了基于变指数单向辅助面滑模控制器。仿真实验结果表明, 该控制策略能保证趋近过程快速性的同时在接近滑模面时能有效减少系统的抖振。     

基于干扰观测补偿的滑模控制器的设计

针对一类具有未知干扰的输入系统,讨论了一种含有干扰观测补偿的滑模变结构控制设计问题,并采用趋近律的滑模设计方法优化控制律参数,有效地削弱了系统抖振现象,以满足控制系统的鲁棒性和趋近运动动态品质的要求,同时也能改善系统的稳态性能.仿真研究结果表明了该方法的有效性.     

引入滑区法的板球系统新型幂趋近律滑模控制

针对板球系统的滑模控制趋近速度慢、在切换面附近易产生高频抖振的问题,设计了一种基于新型幂趋近律的滑动区域法滑模控制方案.首先,在原切换面的基础上设计了两条辅助切换面,定义了滑动区域;然后,提出了新的趋近参数,并用幂次函数代替符号函数;最后,采用Lyapunov理论证明了控制策略的稳定性.实验结果表明,所设计的控制器不仅有良好的动态性能及稳态精度,还能有效地抑制系统产生的抖振,验证了控制策略的有效性.     

基于饱和函数的机械臂模糊滑模趋近律设计

为了削弱机械臂滑模控制中的抖振现象,提出了模糊趋近律的控制方法.利用模糊控制器实时调整滑模控制的趋近律参数,并将饱和函数引入趋近律的设计中,设计了一种新型趋近律.该方法既保证了控制系统的快速性和鲁棒性,又能够有效地削弱抖振,另外,控制系统设计简单,便于工程应用.仿真结果表明,该控制策略不仅有效地抑制了系统的抖振,而且保...     

移相全桥优化的等速趋近律滑模控制

传统的等速趋近律滑模控制器在控制移相全桥变换器时,会出现趋近时间长、抖振严重的问题,为此提出了一种优化的等速趋近律控制方法,用来解决等速趋近率的不足;同时,还增加了电感电流状态变量,给出了移相全桥变换器数学模型;最后,利用优化的等速趋近律对移相全桥变换器滑模控制器进行了设计,并且与PI控制器、等速趋近律控制器相比较;仿真结果表明:所提的控制方法对于系统的静态、动态特性与鲁棒性都有所改善。     

基于固定时间终端滑模控制的塔吊防摆定位研究

为了提高受外部干扰的四自由度欠驱动塔吊系统防摆定位控制性能和鲁棒性能，研究了基于固定时间收敛理论的非奇异快速终端滑模控制(Non-singular fast terminal sliding mode control, NFTSMC)方法。设计了一种非奇异快速终端滑模面，可避免控制器在系统状态接近平衡点时发生奇异。为有效抑制滑模控制器的抖振效应，设计了一种弱抖振固定时间趋近律。在此基础上，提出了一种基于固定时间分层滑模的塔吊防摆控制方法，并利用Lyapunov理论证明了闭环系统的固定时间有界。最后仿真结果验证了所提方法的有效性。