快速二阶终端滑模控制及其在下肢外骨骼的应用

为了提高传统二阶终端滑模控制的全局收敛性,提出一种快速二阶终端滑模控制算法.设计一种二阶趋近律,将绝对值函数隐藏在积分项里,并增加线性项以提高全局收敛性.当系统状态未到达滑模面时,采用二阶趋近律,并通过调整参数避免奇异问题;当系统状态到达滑模面时,采用不含不连续符号项的指数趋近律,以保证控制误差有限时间收敛.采用Lyapunov直接法证明快速二阶终端滑模控制算法的稳定性,及其比super twisting算法具有更优良的收敛特性.以下肢外骨骼为研究对象,建立动力学模型.在考虑建模误差和外部干扰的情况下,将该算法应用于下肢外骨骼的姿态控制.仿真结果表明,所提出的控制算法能够有效抑制抖振,并且比super twisting算法具有更良好的跟踪性能,验证了该算法的有效性.     

改进快速全局滑模控制方法

针对全局滑模控制的动态滑模面不能在有限时间内演化为线性滑模面的缺点, 提出一种改进的全局滑模控制方法, 其动态滑模面的衰减函数由3个指数函数项组成一阶可导函数, 并能在有限时间内衰减为零. 这样, 该方法不仅具有了全局滑模控制的全局鲁棒性, 而且能够使动态滑模面在有限时间内演化为线性滑模面, 从而加快了系统的响应速度. 利用该方法实现了二阶电力系统的混沌控制, 仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

悬臂式掘进机器人截割臂建模与二阶滑模控制器设计

根据悬臂式掘进机器人截割工艺和结构特点,建立了截割臂动力学模型.将一种基于有限状态结构的二阶滑模控制扩展到多输入多输出系统中,在无速度观测器的情况下,保证了滑模量及其导数在有限时间收敛到零.算法消弱了传统滑模控制中的抖动问题,提高了控制系统精度.利用提出的多输入多输出二阶滑模控制算法,设计了截割臂控制器.通过仿真和实验,证明了算法的有效性.     

基于干扰观测器的航天器非奇异终端二阶滑模控制

为了消除干扰力矩和结构不确定性对卫星姿态控制性能的影响,本文提出了一种基于新型干扰观测器的非奇异终端二阶滑模控制方法.首先,文章设计了一种基于跟踪微分器的干扰观测器,来对卫星系统中的不确定项进行估计,利用估计值进行补偿,并保证估计误差在有限时间内收敛.在此基础上,文章设计一个非奇异终端滑模面,当系统到达滑模面时,姿态误差可以在有限时间内收敛,并利用二阶滑模趋近律设计控制器,保证系统在有限时间到达滑模面.在干扰观测器误差未完全收敛时,滑模控制器可以对存在的扰动进一步抑制,实现姿态跟踪系统的有限时间稳定,并通过李雅普诺夫方法严格证明了其稳定性.最后,仿真结果表明,干扰估计值误差可以在有限时间内收敛,证明了该控制方法对存在的干扰是具有较好的鲁棒性.     

不确定欠驱动系统的高阶自适应Super-Twisting滑模控制

为实现一类不确定欠驱动系统在未知干扰情况下的鲁棒控制,针对传统滑模控制中存在的抖振问题,提出一种基于二次型Lyapunov函数的二阶Super-Twisting自适应滑模控制策略.首先,控制器的不连续项采用二阶Super-Twisting算法,将不连续控制作用在滑模量的二阶导数.然后,针对滑模面受不确定干扰影响的情况,为调节参数设计一种自适应律方法,该方法不受传统二阶滑模控制中干扰项的一阶导数边界已知的条件限制,保证滑模面在有干扰情况下的收敛,削弱控制器输入的抖振现象.最后,以两轮自平衡车为实验对象验证该方法,并与传统滑模及普通二阶滑模方法做仿真对比.仿真结果表明文中所提的二阶自适应滑模控制方法在控制效果和降低抖振方面表现更优.     

位置伺服系统二阶滑模控制

变结构控制以其独特的优点和特性引起了众多学者的广泛重视，已由传统的滑模控制发展到高阶滑模控制。高阶滑模控制不仅保留了传统滑模控制的所有优点，而且消除了颤震。变结构控制在位置伺服系统中的应用已经取得了长足的进步，探讨高阶滑模在位置伺服系统中的应用对于解决实际系统中的颤震问题具有深刻的意义。该文简要介绍了高阶滑模控制技术，并将二阶滑模控制应用与位置伺服系统中，理论分析与仿真结果都表明了使用二阶滑模控制器控制直流伺服电机的可行性。     

一种新的二阶滑模控制规律的研究

为了有效地消除传统滑模变结构产生的抖振,提出了一种新的二阶滑模变结构控制方法.该方法将Teminal滑模动态与二阶滑模有效地结合起来,使二阶滑模既具有传统滑模变结构的特点,又能有效地消除传统滑模变结构所产生的抖振.将此方法用于十字梁试验系统,仿真结果表明,该方法确实有效地消除了抖振,而且鲁棒性也很强.     

滑动变量受限情况下的二阶滑模控制设计

在实际系统中状态受限普遍存在,因此考虑状态受限下的控制设计问题具有重要的理论意义和工程价值.本文考虑了滑动变量受限情况下的二阶滑模控制设计问题.首先,在不考虑滑动变量受限的情况下,基于Lyapunov方法,给出了一种新的二阶滑模控制器构造方法,并严格证明了在该控制器的作用下滑动变量将在有限时间内稳定到平衡点.其次,考虑滑动变量受限情况,证明了在受限区域内存在一个与控制参数相关的吸引域,使得当初始状态在该吸引域内时其相轨迹不会逃离它.最后,状态受限情况下倒立摆系统的控制设计验证了该算法的有效性.     

MIMO非线性不确定系统二阶滑模控制

提出了一种基于有限状态机切换策略的多输入多输出二阶滑模控制算法。算法保证了传统滑模控制对参数变化和扰动不灵敏的特点,削弱了滑模控制的“抖动”现象。在上界未知的测量噪声和参数变化的情况下,算法通过滑模量及其微分的符号构成控制律,实现了系统的镇定。仿真结果表明算法在噪声环境下能保证系统的稳定性,对参数不确定具有较强的鲁棒性。算法结构简单,便于实现。     

四旋翼飞行器的自适应二阶滑模控制

针对四旋翼飞行器参数变化的姿态控制问题,将自适应光滑二阶滑模控制方法应用于四旋翼飞行器控制系统.对于参数变化引起的模型不确定性部分采用滑模干扰观测器进行补偿,对姿态系统设计自适应光滑二阶滑模控制器,有效地减弱传统滑模控制的抖振,控制器参数的在线调整提高了系统的控制精度.基于Lyapunov理论证明了系统的有限时间稳定.数字仿真和实验结果都验证了所提控制方法的有效性.     

双积分器的有限时间积分滑模设计及应用

针对带有加性扰动的双积分器,本文结合嵌套饱和控制与积分滑模控制原理,设计一种带分数指数项的积分滑模面.运用Haimo有限时间稳定原理,证明了所设计的积分滑模不会产生奇异性.相应的控制设计由两部分组成:理想控制和不连续控制,可实现滑模面上动态的有限时间稳定,并消除加性扰动的影响.用直流电机角速度控制系统作为例子,说明了算法的有效性.     

A novel adaptive high-order sliding mode control based on integral sliding mode

This paper presents an adaptive high-order sliding mode control scheme targeting for uncertain minimum phase nonlinear single-input-single-output (SISO) systems, which can be equivalently formulated as the finite-time stabilization of high-order input-output dynamics subject to the uncertainties of parameters such as a chain of integrators. The proposed controller is derived from the concept of integral sliding mode and consists of two parts, one part of which achieves the finite-time stabilization of the high-order input-output dynamics without uncertainties by solving a finite-horizon optimal control problem with a free-final-state. The other part adopts the adaptive sliding mode control technique considering the practical bounded uncertainties, by which a modified switching gain adaptation algorithm is developed so that the on-line switching gain selection can be executed and the upper bounds of the uncertainties are not requisite in advance. As a result, a high-order sliding mode is established, ensuring the sliding variables and its high-order derivatives converge to an arbitrarily small vicinity of the origin in finite time. Therefore, the proposed controller achieves fixed convergence time and further improves strong robustness against bounded uncertainties with lower chattering and the easy implementation. Simulation results are presented in detail to verify the effectiveness and feasibility of the proposed algorithm.     

具有未知参数的混沌系统的有限时间滑模同步控制

针对带有未知参数和非线性输入的两个不同的混沌系统之间的同步问题进行研究. 提出一个相比于传统滑模面具有更快收敛速度的终端滑模面, 并结合自适应控制理论和滑模控制理论, 设计一个自适应滑模控制律, 使同步误差在有限时间内收敛到滑模面, 并沿滑模面在有限时间内收敛到零点, 最终实现两个不同的混沌系统之间的同步. 最后, 以带有不确定性和外部扰动的Lorenz 系统和Liu 系统为例进行数值仿真, 仿真结果表明, 同步误差在有限时间内收敛到零点, 从而验证了所设计控制律的有效性和可行性.     

基于滑模观测器的多智能体一致性控制

本文针对速度不可测下的多智能体系统提出一种基于滑模观测器的有限时间一致性控制算法.首先, 利用滑模观测器在有限时间内估计每个智能体的速度信息. 然后,利用估计信息设计非奇异终端滑模控制律,该控制律能够保证智能体系统在有限时间内达到一致性. 最后,通过数值仿真验证了该一致性控制算法的有效性.     

输入饱和的充液航天器抗干扰有限时间滑模控制

研究三轴稳定充液航天器姿态控制过程中存在外部未知干扰、参数不确定和输入饱和的问题,提出一种抗干扰有限时间滑模控制的姿态机动控制方法.将部分充液贮箱内液体燃料晃动等效为球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合动力学方程.首先,设计有限时间积分滑模干扰观测器,保证控制系统中集总干扰可以在有限时间内被估计;然后,基于所设计的干扰观测器,提出一种抗干扰有限时间快速终端滑模控制策略,并且证明在该控制律的作用下闭环系统的状态是有限时间稳定的,而且收敛到指定的快速终端滑模面上.此外,通过引入辅助变量补偿控制输入超调量,克服输入饱和的约束.仿真结果验证了该控制策略的有效性和鲁棒性.     

Fast smooth second-order sliding mode control for stochastic systems with enumerable coloured noises

A fast smooth second-order sliding mode control is presented for a class of stochastic systems driven by enumerable Ornstein–Uhlenbeck coloured noises with time-varying coefficients. Instead of treating the noise as bounded disturbance, the stochastic control techniques are incorporated into the design of the control. The finite-time mean-square practical stability and finite-time mean-square practical reachability are first introduced. Then the prescribed sliding variable dynamic is presented. The sufficient condition guaranteeing its finite-time convergence is given and proved using stochastic Lyapunov-like techniques. The proposed sliding mode controller is applied to a second-order nonlinear stochastic system. Simulation results are given comparing with smooth second-order sliding mode control to validate the analysis.     

多航天器系统分布式有限时间姿态协同跟踪控制

基于一致性算法, 在有向通讯拓扑下, 研究存在状态约束的多航天器系统分布式有限时间姿态协同跟踪控制问题. 在仅有部分跟随航天器可以获取领航航天器状态, 并且跟随航天器之间存在不完全信息交互的情形下, 设计了分布式快速终端滑模面, 提出了不依赖于模型的分布式有限时间姿态协同跟踪控制律. 根据有限时间Lyapunov 稳定性定理, 证明了系统的状态在有限时间内收敛于领航航天器状态的小邻域内. 最后通过仿真算例验证了所提出算法的有效性.

     

考虑扰动与输入饱和的机械臂连续非奇异快速终端滑模控制

针对机械臂控制过程中由于扰动与输入饱和造成的控制精度低的问题,提出一种连续非奇异快速终端滑模控制算法.首先,针对输入饱和问题,设计饱和补偿系统以消除输入饱和特性;其次,为避免滑模控制的抖振问题,设计二阶模型不确定与扰动估计器(UDE)对扰动项进行估计;同时,为进一步提高控制精度,采用自适应方法对扰动估计误差进行控制;在此基础上,设计基于二阶模型不确定与扰动估计器及输入饱和补偿的自适应连续非奇异快速终端滑模控制算法,并采用Lyapunov函数证明该算法的有限时间收敛特性;最后,以3自由度并联机械臂为控制对象进行仿真,并开展算法对比研究.仿真结果表明,该方法可以实现考虑扰动与输入饱和时的机械臂高精度有限时间轨迹跟踪控制.     

基于有限时间的一类时滞非线性切换系统滑模控制

研究一类时滞非线性切换系统的有限时间滑模控制问题.针对所研究的系统模型,构造每个子系统对应的积分滑模面,基于滑模控制理论,设计带有状态时滞的滑模控制器使得每个子系统能在有限时间内到达相应的滑模面上,并对系统中存在的非线性项采用Lipschitz条件进行处理.根据多李亚普诺夫函数、平均驻留时间方法以及分割策略引理,给出滑模趋近段和滑模动态有限时间有界的充分条件,并通过对线性矩阵不等式的求解得到控制器增益.最后,通过一个数值仿真例子验证该设计方法的有效性.     

基于观测器的多智能体系统的有限时间包含控制

在固定有向拓扑结构下,研究了具有多个静态或动态领导者的多智能体有限时间包含控制问题;假设领导者之间不存在信息的交互,提出基于快速终端滑模的控制算法,该算法驱使跟随者的运动轨迹在有限时间收敛到由领导者组成的凸包中;进一步,考虑实际应用中跟随者状态不能在线获得的情况,提出基于有限时间观测器的包含控制协议;利用图论和Lyapunov有限时间稳定性理论,给出了有限时间包含控制的充分条件;最后通过仿真示例,验证了算法的有效性。