自抗扰技术在动力翼伞轨迹跟踪控制中的应用

为了降低动力翼伞系统的非线性特性和风场干扰对轨迹跟踪控制的影响,设计基于自抗扰控制技术的轨迹跟踪控制器.根据动力翼伞系统的特性,将动力翼伞系统的轨迹跟踪控制分为水平轨迹控制通道和垂直高度控制通道,分别设计线性扩张状态观测器(LESO)对系统非线性扰动和外部干扰进行估计和补偿.采用零阶保持器法对线性扩张状态观测器进行离散化,提高线性扩张状态观测器对系统状态的估计效果.仿真结果表明,动力翼伞系统的线性自抗扰轨迹跟踪控制器能够克服风场的影响,达到水平方向和竖直方向的轨迹跟踪控制要求,控制效果优于广义预测控制器.     

基于反步法的板球系统自抗扰控制器设计

针对板球系统中存在的未知扰动、板与球之间的摩擦力等因素影响轨迹跟踪精度这一问题,研究了板球系统的自抗扰控制策略。首先建立板球系统的数学模型,通过适当简化、线性化与解耦得到线性模型;然后采用全程快速微分器对带有噪声干扰的输入信号进行滤波处理,进而设计高阶扩张状态观测器估计系统内部未知扰动;最后基于反步法设计非线性反馈控制器,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,改进的自抗扰控制器能够有效滤除噪声干扰,提高了轨迹跟踪精度。     

可规定性能的输入受限非线性系统反步控制

针对具有不可直接测量状态和控制方向未知的输入受限非线性系统的跟踪问题,提出一种基于模糊状态观测器的反步控制方法.首先采用模糊状态观测器估计被控系统中的不可测量状态;然后利用具有光滑特性的双曲正切函数和Nussbaum增益函数对控制器的饱和问题进行处理,根据可规定误差面性能技术对输出跟踪误差的边界进行限定;最后将反步法和动态面法相结合设计鲁棒控制器.运用Lyapunov理论对系统的稳定性能进行了分析,证明闭环系统的所有信号最终半全局一致有界.以具有参数不确定性和存在外界未知有界干扰的高超声速飞行器纵向运动为仿真模型,仿真结果验证了所提算法的有效性.     

小型航天器浸入与不变自适应反步姿态跟踪

针对具有惯性张量不确定性、外干扰及饱和限制的小型航天器非线性姿态跟踪问题,将反步法和系统浸入与流形不变理论相结合,提出了分块自适应约束控制结构．航天器姿态模型由修正罗德里格参数进行全局非奇异描述．在设计反步控制器时,引入指令滤波器和修正跟踪误差信号以施加系统状态和执行器的饱和限制,同时较容易地获得虚拟控制导数．为提高反步控制器的鲁棒性和性能,利用基于不变流形的非线性观测器对时变的系统“总干扰”进行在线估计补偿．由于不变流形方法使得估计误差具有指定的一致稳定动态,因而该分块自适应控制器比传统的自适应反步控制器更容易调节,且性能不受未知的估计律动态的影响．李亚普诺夫直接方法证明了估计误差有界性和闭环系统输入状态稳定．数值仿真表明,与传统方法相比,所提出的控制器结构具有更高的姿态跟踪性能和干扰估计精度．     

有刷直流电机非线性控制系统设计

为了提高有刷直流电机调速的平稳性和快速性,在经典双闭环电机控制系统设计方案的基础上,针对转速环模型中存在非线性及负载扭矩不可测的特点,提出了基于扩张状态观测器的三步法非线性转速控制策略。首先,设计了三步法(TS)非线性速度控制器,该控制器由类稳态控制、参考动态前馈控制及积分误差反馈控制组成,具有工程意义明确、实现方便的优点。然后,设计了扩张状态观测器(ESO)对系统中负载扭矩等干扰进行在线估计并实时补偿,证明了观测器误差系统的有限时间收敛性及有界性;同时将观测器误差考虑成有界的扰动输入,在输入到状态稳定性理论框架下,证明了闭环误差系统的鲁棒性。针对电流响应较快、极易达到稳态的特点,设计了工程中常用的前馈加PI反馈结构的二自由度控制器,同时采用模拟电路实现该控制器,减小了电流环控制周期,从而抑制了电流波动。为了验证整个控制系统的有效性和工程可实现性,通过有刷直流电机阶跃及正弦转速跟踪实验,证明了本文所设计控制系统能够显著提高电机的瞬态性能和稳态性能。     

欠驱动USV神经网络自适应轨迹跟踪控制

为解决欠驱动USV系统在模型不确定性和未知海流干扰下的水平面轨迹跟踪问题,基于反步法与自适应技术,提出一种非线性鲁棒轨迹跟踪控制策略. 针对欠驱动USV参数不确定问题,运用神经网络自适应方法对欠驱动USV系统未知函数进行估计和逼近;然后,运用动态面方法获取虚拟变量的导数,不仅控制律结构简单,易于工程实现,而且有效地减小了传统反步法中虚拟变量直接求导的复杂性;针对未知时变海流的干扰,设计了一种指数收敛海流观测器,有效估计未知缓慢时变海流速度;其次,基于李雅普诺夫理论证明了所设计的控制器能够保证运动轨迹收敛于期望值,并且保证了该轨迹跟踪闭环控制系统所有信号最终一致有界;最后,在控制输入受限条件下,为检验该控制器的跟踪性能,选取圆轨迹作为参考轨迹,仿真实验表明,该控制器能够有效地实现预期轨迹,神经网络自适应方法对系统未知函数可有效估计和逼近,对未知时变海流干扰具有较强的鲁棒性,轨迹跟踪误差和速度跟踪误差均收敛到零附近的一个邻域内,从而验证了所提出控制器的有效性.     

一种无模型的机器人非线性输出反馈控制

针对非线性不确定机器人系统的轨迹跟踪控制问题,在传统PID控制器的基础上,设计带观测器的无模型连续控制器.控制器由PD控制部分和非线性积分部分组成,其中PD控制部分用于镇定系统,非线性积分部分用于提高算法的收敛速度,同时考虑到速度信号不易获取,引入线性观测器估计机器人关节的速度,并在理论上证明了观测误差和跟踪误差最终趋向于零.在SCARA机器人的两个旋转关节上进行轨迹跟踪试验,结果表明,采用该控制算法得到了理想的控制性能,在同样的反馈增益下,采用观测器后的平均跟踪误差和最大跟踪误差降低了30%以上,而控制输出的震荡程度只有无观测器时的60%.     

基于算子理论的机械臂PI跟踪控制研究

对机械臂的跟踪控制问题进行了研究。在算子理论的基础上,设计了算子观测器,减小了机械臂的不确定性对系统控制性能的影响。在此基础上,设计了跟踪控制器,确保了系统的跟踪性能。通过对机械臂跟踪轨迹和跟踪误差进行仿真证明,采用以上方法明显缩小了跟踪误差,跟踪性能优良。     

基于H∞理论的滚珠丝杠进给系统滑模控制

针对滚珠丝杠进给系统的动态特性,建立参数不确定的数学模型. 为了消除参数不确定的影响,设计满足H∞性能的积分滑模控制器. 针对存在的未知干扰,设计指数干扰观测器进行补偿. 分析结果表明,本研究的控制方法具有L₂增益性能. 利用该方法在滚珠丝杠实验台上进行轨迹跟踪实验. 实验结果表明,当使用设计的控制器时,最大跟踪误差为16.85 μm;当使用设计的控制器加上指数干扰观测器时,最大跟踪误差为10.18 μm;在工作台增加25 kg质量块后,当使用设计的控制器加上干扰观测器时,最大跟踪误差为15.61 μm. 实验结果说明所设计的控制器具有较好的性能,并且干扰观测器能够提高控制精度. 与传统的比例-比例积分控制器的对比结果说明本研究的控制方法有较好的综合性能.     

PMSM驱动的机器人规定性能反步自抗扰控制

为提高机器人轨迹跟踪的精度与抗扰动能力,本文以永磁同步电机机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)驱动的二自由度刚性关节机器人为研究对象,提出规定性能的反步自抗扰位置控制。该方法结合反步法与自抗扰技术,通过扩展状态观测器(extend states observers,ESO)补偿不确定的动态和扰动,利用跟踪微分器(track differentiator,TD)代替虚拟控制信号的导数,消除非线性函数的重复微分引起的"计算爆炸",设计规定性能函数提高位置跟踪的速度和精度,并结合电机矢量控制策略,设计反步电流控制器。通过输入状态稳定定理进行稳定性分析,证明系统状态能渐进收敛到原点的任意小邻域内。仿真结果表明,相比于无规定性能控制,本文提出的规定性能反步自抗扰控制,控制精度更高,收敛速度更快,有良好的动态和稳态性能。该控制方法具有较高的位置跟踪精度和较强的抗干扰能力。     

基于双观测器的机器人自适应摩擦补偿控制

针对机器人系统中存在关节摩擦的问题,提出一种基于终端滑模观测器和摩擦状态观测器的双观测器自适应摩擦补偿反演控制方案:为避免速度测量带来的噪声影响,设计终端滑模观测器对机器人的速度进行估计;考虑到摩擦力无法直接获取,采用连续LuGre摩擦模型,设计摩擦状态观测器和摩擦参数自适应律,得到摩擦的估计值;结合摩擦估计值设计反演控制器,使机器人在受到关节摩擦影响的情况下能有效跟踪期望位置轨迹。最后通过Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性以及机器人轨迹跟踪误差的收敛性,并通过MATLAB仿真验证该控制方案的有效性。仿真结果表明,该控制方法能有效抑制关节摩擦对机器人轨迹跟踪的影响,提高了系统的位置跟踪精度。     

基于指令滤波的板球系统误差反步控制器研究

针对存在未知扰动条件下板球系统的轨迹跟踪控制精度不高的问题,研究了一种基于指令滤波的误差反步控制方法。首先,建立板球系统模型,引入二阶指令滤波器,滤除小球位置和速度状态变量的噪声干扰。其次,逐步选取李雅普诺夫函数,设计误差反步控制器,克服系统受到的外界干扰,实现对输入信号的渐进跟踪控制。最后,通过李雅普诺夫理论证明系统稳定性。仿真结果表明,该控制器能够有效抑制干扰,精确地完成轨迹跟踪任务。     

带有指令滤波的板球系统反步滑模控制的研究

为解决滑模控制中出现的抖振现象影响板球系统轨迹跟踪控制性能的问题,提出了一种结合指令滤波的板球系统反步滑模控制方法。首先建立板球系统数学模型,根据系统误差方程设计总滑模控制规律。然后组建带有指令滤波的复合系统,设计误差反步控制器。最后利用Lyapunov理论证明了整个闭环系统的全局渐进稳定性。仿真结果表明,该方法有效的抑制抖振现象,进一步加强了抗干扰能力。     

水下运载器多变量鲁棒输出反馈控制方法

针对存在较大参数不确定性和仅具有位置、姿态测量的水下运载器的六自由度位姿控制难题,提出一种基于自适应平滑增益滑模观测器和多变量积分Backstepping控制器的非线性控制方法.解决水下运载器的鲁棒输出反馈控制问题,使用基于Lyapunov稳定性理论的设计方法保证观测器 控制器系统的稳定性.设计的自适应平滑增益滑模观测器,克服常规滑模观测器中所存在的高频颤振现象,从而获得较平滑的速度估计值.当存在模型不确定性和有界未知干扰时,可以保证速度估计误差以指数速率收敛至较小的球域内.设计的多变量积分Backstepping控制器,可以保证系统的跟踪误差同样收敛至较小的球域内.以浙江大学正在研制的海王号ROV六自由度控制为研究对象,使用所提出的控制方法与传统PID控制器进行对比仿真研究.仿真结果表明,当存在较大参数不确定性、较强未知外干扰和测量噪声时,所提出的控制方法具有较强的鲁棒性能,可以很好地跟踪参考轨迹,获得较好的动态性能和稳态控制精度.性能明显优于常规PID控制器,并且解决了PID控制器所存在的转艏角设定值不能大于90°的问题.     

控制方向未知的非线性系统有限时间跟踪控制

研究了一类具有输入死区以及控制方向未知的严格反馈非线性系统有限时间输出反馈跟踪控制问题. 首先,通过坐标变换,将所研究的控制方向未知的非线性系统转化为控制增益已知的等效系统. 然后,设计了一个模糊状态观测器来逼近不可测的状态,引入Nussbaum函数来解决控制方向未知的困难. 基于模糊状态观测器,通过反步法利用变换后的系统间接得到原系统的控制器. 此外,该控制器可以保证跟踪误差在有限时间内收敛于原点的一个小邻域,且闭环系统中的所有信号都保持有界. 最后,通过一个仿真算例验证了该控制方法的可行性和有效性.     

Trajectory tracking control for underactuated unmanned surface vehicles with dynamic uncertainties

The trajectory tracking control problem for underactuated unmanned surface vehicles(USV) was addressed, and the control system took account of the uncertain influences induced by model perturbation, external disturbance, etc. By introducing the reference, trajectory was generated by a virtual USV, and the error equation of trajectory tracking for USV was obtained, which transformed the tracking problem of underactuated USV into the stabilization problem of the trajectory tracking error equation. A backstepping adaptive sliding mode controller was proposed based on backstepping technology and method of dynamic slide model control. By means of theoretical analysis, it is proved that the proposed controller ensures that the solutions of closed loop system have the ultimate boundedness property. Simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed controller.     

Backstepping Adaptive Controller of Electro-Hydraulic Servo System of Continuous Rotary Motor

In order to consider the influence of the continuous rotary motor electro-hydraulic servo system parameters change on its performance,the design method of backstepping adaptive controller is put forward.The mathematical model of electro-hydraulic servo system of continuous rotary motor is established,and the whole system is decomposed into several lower order subsystems,and the virtual control signal is designed for each subsystem from the final subsystem with motor angular displacement to the subsystem with system control input voltage. Based on Lyapunov method and the backstepping theory,an adaptive backstepping controller is designed with the changed parameters adaptive law. It is proved that the system reaches the global asymptotic stability,and the system tracking error asymptotically tends to zero. The simulation results show that the backstepping adaptive controller based on the adaptive law of the changed parameters can improve the performance of continuous rotary motor,and the proposed control strategy is feasible.     

一类控制系数未知非线性参数化系统的 输出反馈实际跟踪控制

研究了一类控制系数未知的非线性参数化系统的输出反馈实际跟踪控制问题。通过引入适当的坐标变换,将原始系统转换成不带有控制系数的新系统。为新系统设计了合理的高增益观测器,进而利用反推技术,设计了输出反馈跟踪控制器。仿真结果表明,通过选择合适的设计参数,所设计的输出反馈跟踪控制器可以保证系统所有的状态全局有界,并且当时间足够大时,跟踪误差收敛到零点的既定小领域内。