基于预设性能的欠驱动UUV有限时间路径跟踪控制

为实现参数摄动、海流扰动条件下欠驱动水下无人航行器（underwater unmanned vehicle, UUV）安全执行路径跟踪控制任务，提出一种基于预设性能、改进视线制导律（improved line-of-sight, IMLOS）和非奇异终端滑模（nonsingular terminal sliding mode, NTSM）的路径跟踪控制策略。首先，引入Serret-Frenet坐标系建立跟踪误差方程，引入预设性能函数对跟踪误差进行约束及转换；然后，设计基于预设性能的海流补偿制导律和动力学控制器，确保航行器跟踪期望路径的同时确保航行安全；最后，利用有限时间理论证明该路径跟踪控制策略作用下的闭环运动系统的跟踪误差是有限时间收敛的。通过数值仿真验证所提出的路径跟踪控制策略能够有效地执行欠驱动UUV在参数摄动、海流扰动等约束下的路径跟踪任务，且跟踪误差始终处于预设性能范围之内，可有效地保证航行器的航行安全。     

电子节气门的非奇异快速终端滑模控制

为了提高汽车电子节气门开度控制的响应速度和精确度,研究与设计了一种非奇异快速终端滑模控制策略.建立了电子节气门控制系统的非线性数学模型;利用节气门阀片实际开度与期望开度的误差及误差的导数设计非奇异快速终端滑模面和终端吸引子,使用扩张状态观测器估计开度的一阶导数,设计了不存在奇异控制量且收敛快速的节气门非奇异快速终端滑模控制器,证明了这种控制器的李雅普若夫稳定性;对4种参考输入信号使用非奇异快速终端滑模控制和普通滑模控制在MATLAB/simulink中进行了仿真.仿真结果表明,相比于普通滑模控制方法,非奇异快速终端滑模控制方法具有更短的调节时间和更小的跟踪误差,在4种参考输入信号的作用下,普通滑模控制器需要1s甚至1.2s的时间才可基本实现跟踪,且跟踪误差较大,而非奇异快速终端滑模控制器可确保电子节气门开度在0.1s实现对参考信号的跟踪,且跟踪误差的绝对值小于0.2°,同时冲击扰动信号作用下的仿真结果表明非奇异快速终端滑模控制器具有较好的鲁棒性.     

永磁同步电机非奇异快速终端可变边界层滑模控制

针对永磁同步电机(PMSM)调速系统易受到参数不确定性及负载扰动的影响,提出了一种新型可变边界层的非奇异快速终端滑模(NFTSM)控制策略。首先,构建可在有限时间内快速收敛的非奇异快速终端滑模面;然后,采用角速度与q轴定子参考电流的二阶模型设计速度环滑模控制器,减小了角速度与q轴定子参考电流一阶模型所引起的误差,并避免了终端滑模面奇异问题;最后,设计可变边界层使误差减小至阈值时系统状态切换至小边界层,实现抖振和跟踪精度的协调控制。数值仿真结果表明,NFTSM控制策略与传统PI控制策略相比,转速超调量小,响应速度快,稳态精度近似为0,对参数摄动和负载扰动鲁棒性强,且在有效削弱抖振的同时保证了转速的稳态精度。     

火箭炮位置伺服系统非奇异终端模糊滑模控制

针对火箭炮位置伺服系统运行过程中所存在的转动惯量和冲击力矩变化大等各种不确定因素,提出了一种基于多滑模面的终端模糊滑模控制策略。引入Nussbaum增益补偿实际控制器不确定量,使用模糊逻辑系统自适应补偿系统中未知非线性量,最后一步引入非奇异终端滑模使系统的位置误差在有限时间内收敛,从而降低系统参数变化和外部干扰对火箭炮跟踪性能的影响。仿真结果表明,同传统终端滑模控制方法相比,该控制方法不仅能够有效消除滑模抖振,保证系统速度响应和控制精度,同时对参数摄动和负载扰动具有很强的鲁棒性。     

欠驱动船舶直线航迹的滑模控制方法

针对一类欠驱动水面船舶的直线航迹跟踪控制问题,考虑运动响应模型的建模误差和外界干扰力等非匹配不确定性影响,基于滑模控制理论和Backstepping法,提出了一种反步自适应滑模控制律.借鉴Backstepping法的设计思想,利用一种改进积分型的滑模控制方法和自适应技术,设计了直线航迹跟踪控制的滑模控制律,并证明该控制律保证了航迹跟踪系统的全局渐进稳定性.最后,仿真对比结果验证了所提出控制器的有效性.     

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).     

非奇异快速终端滑模液位跟踪控制

针对传统终端滑模控制中控制输入奇异和收敛时间长的问题,提出了一种非奇异快速终端滑模(NFTSM)控制方法.该方法由NFTSM滑模面和控制律组成.在此框架下,首先通过在非奇异终端滑模面中引入指数函数和符号函数来设计NFTSM滑模面,其中指数函数用来加快状态远离平衡点时的收敛速度,符号函数用来提升系统稳定性.然后,基于NFTSM滑模面来设计由等效控制输入和切换控制输入构成的NFTSM控制律,该控制律具有能同时实现控制输入非奇异和系统状态有限时间内快速收敛的优势.最后,根据给出的耦合双容水箱模型数学描述,将NFTSM方法应用于耦合双容水箱液位控制中,设计了NFTSM液位跟踪控制器.仿真证明,在存在外扰且参数摄动25%条件下,该控制系统仍能精确跟踪给定液位,表明了NFTSM控制方法的有效性和鲁棒性.     

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。     

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.     

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.     

支持向量机预测可变参数的永磁同步电机快速终端滑模控制

针对永磁同步电机传统滑模控制的调速性能受到电机系统状态变量变化的影响,提出了一种采用支持向量机智能预测永磁同步电机可变参数非奇异快速终端滑模控制策略。首先设计了一种快速收敛的新型可变参数非奇异快速终端滑模面,该滑模面实现了全局快速收敛且消除了奇异现象并且滑模参数随系统状态改变,实现了不同系统状态下,永磁同步电机可以始终保持优异的调速性能;然后,引入支持向量机智能算法对滑模面状态变量参数建模,实现滑模面状态变量参数根据电机系统状态在线调整;最后,采用角速度与q轴定子参考电流二阶模型来设计永磁同步电机可变参数非奇异快速终端滑模速度控制器以减小模型误差。数值仿真结果表明:采用支持向量机建立的滑模面状态变量参数预测模型能够根据电机系统参数变化预测得到滑模面状态变量参数最优值;所提出的可变参数非奇异快速终端滑模控制策略与非奇异快速终端滑模控制策略相比,控制性能不受电机参数变化的影响,具有收敛速度快、鲁棒性好、转速超调小、控制精度高等优点。     

压电定位台RBF非奇异快速终端滑模跟踪控制

为了实现对具有强非线性压电定位台的精确位置跟踪,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络和非奇异快速终端滑模面的自适应控制方法.对压电定位台进行了自适应控制建模,设计了非奇异快速终端滑模控制器.结合RBF神经网络实现了控制器的改进,提出了RBF非奇异快速终端滑模控制器及其参数更新规律,采用李雅普诺夫理论进行了稳定性证...     

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,同时使用低通滤波器求解虚拟控制量导数,避免微分爆炸．而后通过径向基函数(RBF)神经网络克服模型参数摄动,利用非线性增益函数与双曲正切函数设计自适应律,对外界未知干扰与模型参数逼近误差的总和的界进行估计．最后基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定理论证明了闭环系统中所有状态量最终一致有界,且船舶轨迹跟踪误差收敛到规定的范围内．仿真实验验证了所提出的控制策略的有效性与优越性．     

仿人机器人的非奇异终端滑模控制

目前,仿人机器人代替人类在工业、矿山安全作业等方面起到了至关重要的作用,而机器人稳定性控制技术的进一步提高,则尽可能的避免了由于机器人操作失误所带来的危害.针对具有不确定性干扰的仿人机器人系统的轨迹跟踪控制问题,利用终端滑模控制方法,给出了设计的全局有限时间跟踪控制器.首先,利用拉格朗日法建立了5连杆仿人机器人的动力学模型,基于非奇异终端滑模控制技术并利用终端滑模设计思想,设计了轨迹跟踪滑模控制器.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,从而减少了系统的抖振问题;最后,仿真算例表明了该方法的有效性.     

面向旋翼飞行器的仿生机械臂终端滑模控制

为满足不断增长的空中作业需求,提出一种面向旋翼飞行器的仿生机械臂,并针对仿生机械臂的控制问题,设计一种基于时延估计及模糊自适应增益调整的非奇异终端滑模控制器,该方法采用时延估计技术对仿生飞行机械臂系统的未知动力学参数进行估计,不需要精确的动力学模型,更具实用性.控制器的主要部分是非奇异终端滑模,在时延估计误差和外界干扰...     

基于超扭曲非奇异滑模的多电机协调控制

针对多电机控制系统存在响应性和同步性差的问题,以四轮独立驱动公铁两用车转向系统为被控对象,提出一种多永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)协同控制策略。该控制策略采用偏差耦合的电同步控制方式,对多电机转角误差进行补偿,并提出一种新型非奇异快速终端滑模函数,同时结合超扭曲算法,设计超扭曲非奇异滑模控制器,实现多台永磁同步电机协同控制。基于MATLAB/Simulink平台搭建系统的仿真模型,并基于自主研发的纯电动公铁两用车进行实车试验。试验结果表明,该超扭曲非奇异快速终端滑模控制器可有效减小转向系统控制过程中所产生的跟踪误差、同步误差及系统抖振,缩短系统的响应时间,提高系统的控制精度,达到较为理想的控制效果。     

基于状态估计的无人车前轮转角与横摆稳定协调控制

针对无人车轨迹跟踪问题,提出了一种基于状态估计的无人车前轮转角和横摆稳定协调控制策略.建立了车辆轨迹跟踪模型,利用模型预测控制算法设计了轨迹跟踪控制器,得到实时跟踪参考轨迹所需的前轮转角.根据车辆模型设计了一种基于未知输入观测器的前轮转角估计方法,并将估计结果作为前轮转角跟踪控制的输入量.基于非奇异终端滑模控制设计了前轮转角跟踪方法,通过转向电机扭矩来控制车辆转向以实现轨迹跟踪.同时,设计了车辆横摆稳定控制器,通过控制横摆角速度跟踪误差确保车辆横摆稳定.建立了CarSim-Simulink联合仿真模型并进行仿真实测试.结果表明,未知输入观测器具有较好的前轮转角估计效果,从而为车辆协调控制提供可靠信息源,协调控制策略能够在保证车辆横摆稳定性的同时完成车辆轨迹跟踪.      

采用摩擦补偿的弹药传输机械臂自适应终端滑模控制

为处理某自行火炮弹药传输机械臂系统在负载变化和非线性摩擦干扰情况下的快速定位控制问题,构造了一种结合自适应思想的新型非奇异快速终端滑模控制策略.建立了负载变化及非线性摩擦干扰情况下的弹药传输机械臂动力学方程.为避免控制器产生奇异问题和改进控制器到达滑模面的速度,采用一种新型非奇异快速终端滑模控制策略,设计了弹药传输机械臂的控制律.针对系统不确定上界难以确定的问题,采用自适应律估计系统的不确定上界,并利用Lyapunov准则证明了系统状态的有限时间收敛.为实现系统非线性摩擦补偿控制,使用遗传算法对建立的Stribeck模型进行参数辨识.不同负载工况下弹药传输机械臂实验结果表明:文中设计的控制器实现了负载变化和非线性摩擦情况下弹药传输机械臂的快速准确定位,具有良好的鲁棒性,控制策略合理有效.     

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.     

新型非奇异终端滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制

为了实现对永磁同步电机无位置矢量控制系统所需的转子位置和速度的准确估计,提出一种基于跟踪微分器的新型非奇异快速终端滑模观测器(NFTSMO)。首先,构建积分型非奇异快速终端滑模面,使电流观测误差在有限时间内快速收敛到零,避免了终端滑模存在的奇异问题及传统非奇异终端滑模面中微分状态带来的噪声;然后,结合具有终端吸引子的低抖振切换控制设计滑模控制律,经过跟踪微分器获得平滑的反电动势估算值,减小了传统滑模观测器中低通滤波器引起的相位滞后;最后,基于锁相环原理,从观测的反电动势中调制出转子位置和速度信息。仿真结果表明,采用文中提出的新型滑模观测器可以实现对永磁同步电机转速的准确估计,转速最大估计误差在±1r/min之间,且估计的转子位置无相位滞后,误差小,系统动、静态响应好。与传统滑模观测器相比,该新型滑模观测器具有收敛速度更快、跟踪精度更高、反电动势抖振更小的特点,当系统存在负载扰动及参数摄动时,仍然能够准确地估算出电机转子的位置和速度,具有较强的鲁棒性。