基于反馈增益反步法欠驱动无人水下航行器三维路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器的三维空间路径跟踪控制问题.基于虚拟向导建立载体坐标系下的三维路径跟踪运动学误差模型,首先设计跟踪误差反馈增益形式的线性控制项镇定位置跟踪系统,避免计算虚拟控制量导数的复杂形式;然后基于反步法设计动力学控制器,通过合理的选择控制器参数消除了部分非线性项,简化了虚拟控制量的形式,同时避免了采用传统反步法设计控制器时存在的奇异值问题,基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒反馈补偿项,保证了闭环跟踪误差系统状态的一致最终有界.仿真实验表明本文设计控制器能够精确跟踪三维曲线路径,并对外界干扰具有较好的鲁棒性.     

欠驱动自主水面船的非线性路径跟踪控制

基于级联方法提出一种欠驱动自主水面船的全局K指数稳定路径跟踪控制算法.采用以自由路径参考点为原点的Serret-Frenet坐标系建立路径跟踪误差的动态模型,以路径参数的变化率为附加控制输入,克服了以正交投影点为坐标原点时的奇异值问题.设计路径跟踪航向角指令,将路径跟踪模型分解为位置跟踪子系统和航向角、前向速度跟踪子系统两个子系统级联的形式,设计航向角和前向速度的全局指数稳定跟踪控制器,应用级联系统理论证明了路径跟踪误差的全局K指数稳定性.数学仿真和自主水面船湖上实验结果验证了该路径跟踪控制算法的有效性.     

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器 (Autonomous underwater vehicle, AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型, 采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数, 避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程, 同时滤除了高频测量噪声, 增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路, 保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项, 保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性, 能够实现对三维路径的精确跟踪.     

基于滤波反步法的三相永磁同步电机伺服控制

为解决永磁同步电机的角度伺服控制问题.基于dq轴坐标系建立的电机控制模型,采用滤波反步法设计位置伺服控制器,通过稳定二阶滤波过程逼近虚拟控制量的导数,避免了常规反步法中对虚拟控制量解析求导的繁琐过程.通过设计滤波误差补偿环节,保证了滤波器输出信号对输入信号的跟踪精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项,保证了闭环跟踪误差的稳定性,并采用粒子群算法对控制器参数进行优化.最后,通过仿真实验结果表明了该算法的有效性,且具有较高的跟踪精度.     

基于有限时间指令滤波的非线性系统固定时间预设性能控制

针对一类严格反馈非线性系统,提出一种基于有限时间指令滤波的自适应固定时间预设性能控制策略.首先,引用非线性映射技术及适当的误差变换,建立等效的误差模型;其次,综合利用反步法、固定时间控制和自适应控制等方法,设计一种基于有限时间指令滤波的预设性能跟踪控制器.该策略应用指令滤波器解决了反步法中对虚拟控制律反复求导问题,减轻了计算负担.此外,预设性能控制和固定时间控制保证了系统的跟踪误差能够在固定时间内收敛到预设性能函数限定的范围内,其收敛时间与系统初始条件无关,且确保系统中全部信号在有限时间均达到有界区域.理论分析与仿真验证均表明了所提出设计方法的有效性.     

欠驱动飞艇三维路径跟踪控制

针对欠驱动飞艇的路径跟踪控制问题,提出了一种基于制导向量场的三维路径跟踪控制方法.首先,引入向量场理论.接着基于牛顿–欧拉方程建立欠驱动飞艇动力学模型.基于所提模型和向量场理论构造制导向量场以获得期望姿态角和期望速度.然后结合反步法和PD控制设计路径跟踪控制器,用指令滤波器对控制器设计过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.所设计的控制器是由制导向量场子系统、姿态稳定环和速度跟踪环组成的内外环结构.稳定性分析证明了飞艇的路径跟踪误差最终一致有界.最后仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

基于ESO的船舶航向鲁棒自适应控制

针对具有内部未建模动态和外部不确定扰动的水面船舶设计一种鲁棒自适应航向控制器,并同时解决转向过程中的漂角补偿问题.基于二阶非线性Nomoto模型和一阶漂角模型,建立非积分链结构的漂角-航向非线性状态空间模型,将航向控制系统未建模动态与外部不确定扰动合并为复合扰动,应用扩张状态观测器估计模型中的未测量状态和系统复合扰动.基于Lyapunov稳定性理论和自适应反步法设计航向状态反馈控制规律,为避免反步法控制过程中的微分爆炸问题,采用动态面控制技术获取虚拟控制信号的近似导数.所提出的扩张状态观测器和航向控制算法能够保证闭环系统内所有误差信号一致最终有界,提高航向保持和转向过程中的航向跟踪精度.仿真结果验证了所提出的航向控制规律的有效性.     

欠驱动飞艇平面路径跟踪控制

针对欠驱动飞艇模型,提出一种基于制导向量场的平面路径跟踪控制方法.首先,基于牛顿-欧拉方程建立欠驱动飞艇动力学模型;然后,基于向量场理论构造制导向量场以获得期望偏航角,结合反步法设计路径跟踪控制律,并通过稳定性分析证明所设计的控制律能够使路径跟踪误差收敛到零而且闭环系统状态有界;最后,通过仿真对比了所提出方法与已有方法的控制效果,仿真结果验证了所提出方法的有效性和优越性.     

位置和速度受限的微型无人直升机轨迹跟踪控制器

针对微型无人直升机在狭窄空间中的轨迹跟踪问题,设计了一种可以限制直升机位置和速度的跟踪控制器.首先将直升机的模型简化为一个未建模的动态模型.基于简化模型利用受限反步法设计控制器,其中在位置控制回路用障碍李雅普诺夫函数代替传统的纯二次型李雅普诺夫函数,以此来限制直升机的位置和速度;用指令滤波器对反步过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.此外,将未建模动态和指令滤波器误差合并成有界扰动项,并设计了自适应算法对扰动的上界进行估计和补偿.稳定性分析证明了直升机的闭环跟踪误差最终一致有界,且位置和速度始终位于预设的限制集合中.仿真结果验证了该控制器的有效性.     

连续搅拌反应釜的固定时间命令滤波跟踪控制

针对一类连续搅拌反应釜系统的跟踪控制问题,提出一种基于反步法和模糊逻辑系统的自适应固定时间命令滤波控制方法.利用命令滤波器引入误差补偿机制消除滤波误差的影响,并解决反步法虚拟控制信号重复求导的问题;采用模糊逻辑系统对系统中存在的非线性部分进行逼近;利用固定时间控制方法使系统跟踪误差更迅速收敛至较小邻域内,且收敛时间不依赖系统初始状态;通过Lyapunov定理证明连续搅拌反应釜系统的闭环稳定性;利用Matlab/Simulink仿真实验验证所提出控制方法的有效性.与现有控制方法相比,该控制方法具有控制器结构简单、收敛速度快、控制精度高、无超调等优点.     

Global stable tracking control of underactuated ships with input saturation

In this paper, tracking control of underactuated ship in the presence of input saturation is addressed. By dividing the tracking error dynamic system into a cascade of two subsystems, the torques in surge and yaw axes are designed separately using the backstepping technique. More specifically, we design the yaw axis torque in such a way that its corresponding subsystem is finite time stable, which makes it to be de-coupled from the second subsystem after a finite time. This enables us to design the torque in the surge axis independently. It is shown that the closed-loop system is stable and the mean-square tracking errors can be made arbitrarily small by choosing design parameters. Simulation results also verify the effectiveness of the proposed scheme.     

一类非线性系统的加速度规划输出跟踪动态控制

针对一类严格反馈形式的非线性二阶多输入多输出系统,提出一种带有加速度规划的输出跟踪动态控制策略.引入一个代替时间变量的路径参数用以规划路径跟踪时的加速度,回避了设计内环加速度控制回路的常规方法,简化了控制器的设计过程.对二阶系统的控制项求导进行系统扩维,基于新的增广系统,设计了使系统输出收敛于期望路径的反馈线性化动态控制律.再对加速度跟踪误差基于梯度法设计更新律使其渐近收敛于零,最后通过调节期望加速度实现定常速度控制.理论分析表明,误差闭环系统一致渐近稳定,速度误差有界.动力定位船舶循迹控制仿真结果表明了所提出控制器的有效性.     

输出误差约束下四旋翼无人机预定性能反步控制

针对外界干扰和输出误差约束条件下的四旋翼无人机的跟踪控制问题,提出预定性能反步跟踪控制策略.首先,将四旋翼无人机动力学模型转换为带有外界干扰的严反馈形式;然后,利用反步法设计控制器,通过引入障碍Lyapunov函数保证跟踪误差的预定性能,设计干扰观测器对外界干扰进行估计,并通过滤波器估计姿态子系统中部分虚拟控制输入的导数;通过稳定性分析说明所设计的控制器可以保证跟踪误差的有界稳定性,且跟踪误差一直处于预设边界内;最后,通过仿真验证所设计控制策略的有效性.     

Three‐Dimensional Constrained Tracking Control Via Exact Differentiation Estimator of a Quadrotor Helicopter

In this paper, a constructive method is presented to design a three dimensional trajectory tracking controller that forces a quadrotor helicopter to track a bounded and sufficiently smooth reference trajectory asymptotically in the presence of constant force disturbances. The quadrotor helicopter under consideration has fewer independent thrusters than degrees of freedom to be controlled. Motivated by the vehicle's steering practices, the roll and pitch angles are regarded as virtual controls along with four control forces to fulfill the task of position and yaw angle reference tracking. To prevent position constraint violation, the barrier Lyapunov function (BLF) is employed in the vectorial backstepping procedure to guarantee that the position and attitude constraints are not violated. The backstepping procedure employs an exact and robust sliding mode differentiator of order two to facilitate the implementation of the attitude command signal without calculating the virtual control signal derivative analytically.     

Underactuated ship tracking control: Theory and experiments

We consider complete state tracking feedback control of a ship having two controls, namely surge force and yaw moment. The ship model has similarities with chained form systems but cannot directly be transformed in chained form. In particular, the model has a drift vector field as opposed to the drift-free chained form systems. It is shown here that methods developed for tracking control of chained form systems still can be used for developing a tracking control law for the ship. Through a coordinate transformation the model is put in a triangular-like form which makes it possible to use integrator backstepping to develop a tracking control law. The control law steers both the position variables and the course angle of the ship, providing exponential stability of the reference trajectory. Experimental results are presented where the control law is implemented for tracking control of a model of an offshore supply vessel, scale 1:70. In the experiments the ship converges exponentially to a neighbourhood of the reference trajectory, and stays close with errors depending on factors as unmodelled dynamics, parameter uncertainty, measurement noise, thruster saturation, waves, currents and position measurement failures.     

Trajectory-Tracking and Path-Following of Underactuated Autonomous Vehicles With Parametric Modeling Uncertainty

We address the problem of position trajectory-tracking and path-following control design for underactuated autonomous vehicles in the presence of possibly large modeling parametric uncertainty. For a general class of vehicles moving in either 2- or 3-D space, we demonstrate how adaptive switching supervisory control can be combined with a nonlinear Lyapunov-based tracking control law to solve the problem of global boundedness and convergence of the position tracking error to a neighborhood of the origin that can be made arbitrarily small. The desired trajectory does not need to be of a particular type (e.g., trimming trajectories) and can be any sufficiently smooth bounded curve parameterized by time. We also show how these results can be applied to solve the path-following problem, in which the vehicle is required to converge to and follow a path, without a specific temporal specification. We illustrate our design procedures through two vehicle control applications: a hovercraft (moving on a planar surface) and an underwater vehicle (moving in 3-D space). Simulations results are presented and discussed.