变频泵控锚杆钻臂摆角动态滑模自适应控制

巷道支护锚杆/锚索安装过程中, 液压锚杆钻机钻臂通常人工控制, 定位精度低, 导致钻杆安装偏离设计位置, 引起设备故障和巷道坍塌. 因此, 设计一种基于动态切换函数的滑模自适应摆角控制器. 针对变频泵控液压锚杆钻臂旋转系统存在的诸多内外部干扰, 设计自适应律和动态滑模控制器, 有效降低抖振和抑制干扰. 联合仿真实验表明, 动态滑模自适应摆角控制能够有效克服诸多不确定性对系统的影响, 无超调的准确跟踪设定值, 满足煤炭安全规程中锚杆/锚索安装偏转角控制和巷道稳定支护的需求.     

基于神经网络旋转二级倒立摆系统的预测控制

针对倒立摆的研究,提出了一种应用神经网络和预测控制相结合的算法,用于控制旋转二级倒立摆系统.为了提高跟踪精度和快速性,可以把线性控制的条件作为非线性最优控制性能指标的约束条件,并将一种新型的非线性混沌映射引入到神经网络的参数学习算法中实现其权值调节,以逐步建立被控对象合理的多步预测模型.仿真结果表明,神经网络预测控制算法具有响应速度快、控制效果好和跟踪精度高等特点.可使非线性系统的预测问题得到较好的解决.     

基于Backstepping的倒立摆鲁棒跟踪控制

针对内部参数不确定及存在外部干扰的非线性倒立摆系统,提出了基于Backstepping方法的滑模变结构控制律,并且采用RBF神经网络逼近系统不确定非线性函数,同时引入滑模误差对其神经网络权值进行在线自适应调整,使神经网络的逼近速度加快,改善了动态性能.该控制律能保证倒立撰轨迹跟踪误差的快速收敛性以及对外部扰动和内部参数不确定的不敏感性,最后给出的仿真实例证明了该理论分析结果的正确性,控制效果良好.     

伴有初始负载摆角的桥式起重机能量防摆控制

桥式起重机是一种广泛应用的大型搬运设备,在实际工作过程中,台车运动时会产生伴有初始负载摆角的负载摆动,影响工作效率并带来安全隐患.针对这种情况,设定期望的台车误差轨迹和摆角误差轨迹,将桥式起重机动力学模型转换为误差跟踪动力学模型,提出一种基于能量分析方法的桥式起重机防摆控制策略.通过LaSalle不变性原理和Lyapunov方法对闭环系统的稳定性进行理论分析.仿真与实验结果表明,所提防摆控制方法的控制性能几乎不受初始负载摆角的影响,可以保证桥式起重机在无初始负载摆角和带有初始负载摆角的情况下都能取得良好的控制效果,能够驱动台车准确到达目标位置,有效抑制并快速消除负载摆角,同时对外部扰动具有很强的鲁棒性.     

一类非线性系统准滑模控制的稳态误差分析

针对一类具有未知控制增益的不确定非线性系统准滑模跟踪控制,通过分析跟踪误差和滑模变量之间的关系,利用有界输入有界输出稳定的思想,分别推导了采用Slotine形式的传统滑模面和传统积分滑模面时系统的稳态跟踪误差的界.将其与现有的几种方法进行比较,该方法求得的稳态跟踪误差界更精确.根据给定的稳态跟踪误差要求,可设计出适合抑制抖振的饱和函数.通过仿真算例验证了所提出方法的有效性.     

基于能量分析的桥式起重机防摆控制方法

针对欠驱动桥式起重机在自动化驾驶研究中负载升/落吊运动与台车水平位移联动时,负载摆动抑制效果和控制性能不能满足实际工程需要,易造成安全事故的问题,提出一种基于能量分析的桥式起重机联动系统非线性耦合防摆控制器.采用非线性耦合控制方法,构造新型储能函数,设计出非线性耦合防摆控制器.利用LaSalle不变性原理和Lyapunov方法对该闭环反馈系统稳定性进行严格的数学分析.理论推导、仿真与实验结果表明:相比于非线性跟踪控制器和局部反馈线性化控制器,所提非线性耦合防摆控制器具有更佳的控制性能,不仅提高了负载的吊运效率,而且能够有效抑制和快速消除负载摆角;在添加外部扰动的情况下,仍能取得良好的控制效果,具有较强的鲁棒性,为桥式起重机联动系统提供了一种新的防摆控制方法.     

基于双层滑模的舰载垂直装填机械防摆控制

为了提高舰载垂直装填机械系统的自动化程度并具备海上装填能力,设计一个防摇控制器能够实现在装填过程中抑制吊重的摇摆,达到防摇的目的。将舰载垂直装填机械系统看作一类特殊的机器人机械手系统,并考虑其海上作业时的工作环境,利用机器人动力学原理建立其动基座条件下的动力学模型。针对模型的复杂、强非线性、欠驱动、具有时变参数等特点,建立了一个降阶模型以方便控制器的设计,采用取特征点构造变参数滑模函数的双层滑模变结构控制方法对防摇控制器进行设计。仿真研究表明,所设计的分层滑模变结构控制器各层滑模面都能达到稳定,并在防摇控制器的控制下,回转角能够跟踪所设计的轨迹的同时能有效地抑制吊重的摆角,达到防摇的目的。     

时变终端滑模自适应有限时间控制算法

为实现非线性系统输出对期望轨迹的有限时间内精确跟踪，提出一种有限时间鲁棒控制算法。通过设计一种无到达过程的时变终端滑模面，在保证有限时间收敛的基础上，消除了传统滑模控制中固有的稳态误差，实现系统输出对期望轨迹的精确跟踪。设计了自适应更新律补偿由参数摄动导致的系统扰动，增强系统对内部未知参数摄动的鲁棒性。对比仿真结果表明：时变终端滑模控制比线性滑模控制的轨迹跟踪时间快41.5%；线性滑模控制器下的轨迹跟踪稳态误差为0.005，时变滑模控制器使轨迹跟踪的稳态误差降为0，实现精确跟踪。     

欠驱动惯性轮摆系统全局滑模控制

针对欠驱动惯性轮摆的镇定控制问题,本文提出了一种新型的滑模鲁棒控制策略,可在系统受到不确定性与外界干扰影响的情况下,实现全局渐近镇定控制.区别于现有方法,本文方法无需切换,且能将无驱动的摆杆摇起至竖直向上位置的同时,确保惯性轮回到初始位置.具体而言,首先对惯性轮摆系统的非线性模型进行非奇异坐标变换,将其变为类积分器形式.随后,根据转换后系统的形式,构造了一种新型的滑模面;经严格分析知,当系统状态处于该滑模面上时,它们将渐近收敛于平衡点.在此基础之上,设计了滑模控制律以确保系统状态始终处于该滑模面上,以实现镇定控制.最后,通过仿真验证了所提控制方法的有效性与鲁棒性,并与现有方法进行了对比.     

一类带有加速度约束的非线性系统最优滑模控制

针对加速度受约束的非线性时变系统,设计了一种全局最优滑模控制算法.首先引入全程滑态因子,保证滑模面一开始就在零值附近,然后选取位置跟踪误差绝对值的积分为指标函数,通过求解该指标函数的最小值来确定滑模面方程的相关参数,最后设计了基于指数趋近律的滑模控制算法.仿真结果表明了该方法的有效性和强鲁棒性.     

A new improved continuous variable structure controller for accurately prescribed tracking control of BLDD servo motors

A new improved robust variable structure controller is presented to provide an accurately prescribed tracking performance for brushless direct drive (BLDD) servo motors (SM) under uncertainties and load variations. A special integral sliding surface suggested for removing the reaching phase problems can define its ideal sliding mode and virtual ideal sliding trajectory from an initial position of SM. The tracking error caused by the nonzero value of the sliding surface is derived. A corresponding continuous control input with the disturbance observer is suggested to track a predetermined virtual ideal sliding trajectory within a prescribed value under all the uncertainties and load variations. The usefulness of the proposed algorithm is demonstrated through the comparative simulations for a BLDD SM under load variations.     

A nonlinear sliding surface to improve performance of a discrete-time input-delay system

A sliding mode controller is proposed for an uncertain input-delay system to enhance performance. A nonlinear sliding surface is proposed to achieve better transient response for general uncertain discrete SISO linear systems with input delay. Both matched and unmatched perturbations are considered and ultimate boundedness of motion is proved. The step tracking problem is analysed. The proposed surface increases the damping ratio of the transformed system (delay free) as the output moves nearer to the setpoint. To simplify the surface design, a linear matrix inequality based tuning procedure is proposed. The control law is designed based on an equivalent control approach which guarantees one step reaching. The scheme is able to achieve low overshoot and low settling time simultaneously which is not possible with a linear sliding surface. Simulation results verify the effectiveness of the proposed nonlinear surface over different linear surfaces.     

任意初态下的工业机器人迭代学习控制

对迭代初值为任意值的工业机器人轨迹跟踪控制系统,提出了一种基于滑模面的非线性迭代学习控制算法,使机器人轨迹能快速、精确跟踪上期望轨迹。基于有限时间收敛原理,构建了关于机器人轨迹跟踪误差的迭代滑模面,在滑模面内,机器人轨迹跟踪误差在预定时间内收敛到零。设计了基于滑模面的迭代学习控制算法,理论证明了随着迭代次数的增加,处于任意初态的轨迹将一致收敛到滑模面内,解决了迭代学习中的任意初值问题。数值仿真验证了该算法的有效性和抗干扰能力。     

基于时变增益扩张状态观测器的逆变器系统自适应 super-twisting电压鲁棒控制

针对电压源逆变器系统中负载扰动和参数摄动, 本文提出了一种基于时变增益扩张状态观测器的自适应 super-twisting鲁棒电压控制新方法. 首先考虑负载扰动, 建立单相逆变器系统的动态模型, 进而考虑系统参数摄动, 通过引入非测量辅助状态变量, 将上述动态模型转化为只包含匹配扰动的状态方程; 其次, 设计时变增益扩张状态 观测器, 以实现对非测量辅助状态变量与包含负载变化和参数摄动等因素在内的集总不确定项的估计; 最后, 基于 此扩张状态观测器, 设计采用自适应super-twisting算法的滑模控制律, 以实现逆变器系统输出电压对其参考电压的 快速准确跟踪并增强系统鲁棒性. 仿真实验结果表明: 所提出的时变增益扩张状态观测器可在保证观测误差收敛 的同时, 有效抑制“初始微分峰值”现象; 采用自适应super-twisting算法的滑模控制策略可使逆变器系统输出电压 具有较高跟踪精度和较小总谐波失真率, 增强系统的抗干扰能力, 并降低控制输入信号“抖振”.     

Swing Suppression and Accurate Positioning Control for Underactuated Offshore Crane Systems Suffering From Disturbances

Offshore cranes are widely applied to transfer large-scale cargoes and it is challenging to develop effective control for them with sea wave disturbances. However, most existing controllers can only yield ultimate uniform boundedness or asymptotical stability results for the system’s equilibrium point, and the state variables’ convergence time cannot be theoretically guaranteed. To address these problems, a nonlinear sliding mode-based controller is suggested to accurately drive the boom/rope to their desired positions. Simultaneously, payload swing can be eliminated rapidly with sea waves. As we know, this paper firstly presents a controller by introducing error-related bounded functions into a sliding surface, which can realize boom/rope positioning within a finite time, and both controller design and analysis based on the nonlinear dynamics are implemented without any linearization manipulations. Moreover, the stability analysis is theoretically ensured with the Lyapunov method. Finally, we employ some experiments to validate the effectiveness of the proposed controller.      

Robust tracking control for a class of MIMO nonlinear systems with measurable output feedback

This paper proposes a robust output feedback controller for a class of nonlinear systems to track a desired trajectory. Our main goal is to ensure the global input-to-state stability (ISS) property of the tracking error nonlinear dynamics with respect to the unknown structural system uncertainties and external disturbances. Our approach consists of constructing a nonlinear observer to reconstruct the unavailable states, and then designing a discontinuous controller using a back-stepping like design procedure to ensure the ISS property. The observer design is realized through state transformation and there is only one parameter to be determined. Through solving a Hamilton–Jacoby inequality, the nonlinear control law for the first subsystem specifies a nonlinear switching surface. By virtue of nonlinear control for the first subsystem, the resulting sliding manifold in the sliding phase possesses the desired ISS property and to certain extent the optimality. Associated with the new switching surface, the sliding mode control is applied to the second subsystem to accomplish the tracking task. As a result, the tracking error is bounded and the ISS property of the whole system can be ensured while the internal stability is also achieved. Finally, an example is presented to show the effectiveness of the proposed scheme. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于滑模观测器的直线伺服系统反馈线性化速度跟踪控制

在许多高速、高精的直线伺服系统中,要求能实现对速度的快速精确跟踪,但其模型的非线性和变量间的耦合给控制带来难度.对高速、高精速度跟踪控制中,电流和速度的变化过程在时间尺度上相对接近,不能简单地采用磁场定向矢量控制方法实现静态解耦,否则电流和速度间的非线性耦合将破坏速度跟踪品质.采用状态反馈线性化方法来实现永磁直线同步电动机(PMLSM)模型的精确线性化和动态解耦.利用非线性坐标变换和非线性反馈将系统解耦成独立的线性电流子系统和速度子系统.通过扩展滑模观测器来实现对所需要的动子速度、加速度和负载扰动的鲁棒观测.并利用李雅普诺夫理论对由反馈线性化和滑模观测器构成的非线性闭环系统的稳定性进行了证明.仿真结果表明该方案使PMLSM伺服系统具有良好的鲁棒速度跟踪性能.     

基于干扰观测器的解耦快速终端滑模控制

针对一类欠驱动系统跟踪控制问题,提出了一种基于非线性干扰观测器的全局解耦快速终端滑模控制(NDODGFTSMC)策略.将欠驱动系统分解成两个子系统分别设计全局快速终端滑模面,利用其中一个子系统滑模面的符号函数来构造中间变量,并将该变量引入到另一个子系统的滑模面中,构造出整个系统的滑模面,采用等效控制法和模糊双幂次趋近律...     

Sliding mode tracking control with differential evolution optimisation algorithm using integral-chain differentiator in uncertain nonlinear systems

This paper presents sliding mode tracking control for a class of uncertain nonlinear systems with unknown parameters and system states. The sliding mode tracking controller with the differential evolution (DE) algorithm using integral-chain differentiator (ICD) is designed for the trajectory tracking in uncertain nonlinear systems. The ICD added into the sliding mode tracking systems provides the estimation of unknown states. The DE optimisation algorithm on the basis of ICD realises the unknown parametric identification in the limitation of unknown system states. The simulation is implemented to illustrate that the combined control scheme achieves high precision tracking performances.     

永磁球形电机的少保守性滑模控制

永磁球形电机轨迹跟踪控制方法常常利用高增益的控制输出来保证系统的鲁棒性及跟踪控制的快速性.但这种保守控制会带来较大的控制作用,甚至导致执行器饱和.为了减少控制的保守性,本文设计了一种带有非线性干扰观测器的模糊滑模控制器来解决球形电机的轨迹跟踪问题.利用干扰观测器对不确定性、摩擦、外界干扰、负载扰动等进行估计,并在控制输入端进行补偿实现对干扰的抑制.并利用滑模控制器抵消干扰观测器的干扰观测误差及不可观测部分的干扰,为了减少滑模的抖振,本文利用模糊逻辑对该部分进行逼近,并利用模糊的输出增益代替滑模的切换增益.此外通过Lyapunov方程证明了本文控制器的稳定性.仿真结果表明在存在模型不确定性及各种干扰的情况下,本文的轨迹跟踪控制具有良好的动静态性能和少保守性.