喷水推进型无人艇航向跟踪的反步自适应滑模控制*

针对单泵喷水推进型无人滑行艇的航向跟踪非线性系统,提出了一种反步自适应滑模控制方法。该系统由无人艇运动非线性响应模型和舵机伺服系统组成,并考虑运动响应模型的建模误差、外界干扰力等非匹配不确定性,利用全局微分同胚坐标变换将原系统变换为具有下三角特征的非线性系统。基于Backstepping方法和滑模控制理论,提出了一种自适应滑模控制律;利用Lyapunov函数,证明该控制律保证了航向跟踪系统的全局渐近稳定性。仿真对比结果验证了所提出控制器的有效性。     

基于IMFAC的无人艇抗干扰航向自适应控制

针对无人艇在航向控制中易受风浪流等环境干扰,导致控制效果下降的问题,提出一种结合细菌觅食算法的改进无模型自适应控制算法;文章首先分析了偏格式动态线性化方法在无人艇航向控制中的应用问题,并设计了虚拟输出项以满足无模型自适应控制假设条件,建立了基于偏格式动态线性化方法的无模型自适应航向控制器;针对无模型自适应控制算法参数初始值选取范围问题,设计了改进细菌觅食算法对参数初始值进行预整定,保证了算法的快速收敛;最后通过半物理仿真试验验证了所设计算法的有效性;试验表明,在模拟的3级海况干扰下,无人艇在30°阶跃航向控制和±30°方形航向控制中,相较于传统算法出现的较大稳态误差,使用无模型自适应控制算法能在经过10 s左右调整后,将误差稳定趋近于零,实现无人艇的航向自适应控制。     

基于自适应滑模的喷水推进船舶航向控制

关于船舶航行优化控制,针对喷水推进船舶的航向稳定性控制问题,根据模型中非线性水动力不确定性和外界干扰,提出了基于PID增益调节的自适应滑模控制方法, 并利用Lyapunov稳定性理论证明控制方法的稳定性.控制方法对于模型参数摄动和外界干扰有较好的鲁棒性,PID增益参数的选择可通过在线自适应学习获得,采用边界层方法对设计的滑模控制器的高频抖振加以合理抑制.以一艘喷水推进船舶为例,进行了航向改变的仿真,结果表明设计的控制器具有船舶操纵的良好动态性能,且具有超调小、鲁棒性强的优点,更加符合船舶航向实时控制的工程要求.     

基于自适应滑模的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制算法

针对欠驱动水面无人艇在航行过程中存在的海洋环境干扰、数学模型参数不确定、执行器故障等问题,提出了一种基于扰动观测器与神经网络技术的自适应滑模轨迹跟踪策略。在无人艇三自由度模型的基础上,结合视线制导率,提出了一种新的轨迹跟踪制导策略。采用自适应滑模控制技术设计了欠驱动无人艇轨迹跟踪控制器,有效地抑制了执行器衰减故障对无人艇控制系统的影响;同时运用了非线性扰动观测器和自适应径向基函数神经网络分别对无人艇受到的外界干扰和模型参数不确定性进行补偿和拟合,提高了控制系统的抗干扰能力。基于Lyapunov定理证明了所设计的控制系统的稳定性,并在MATLAB中进行了仿真测试。仿真结果表明,所提出的轨迹跟踪控制算法可以在较为复杂的环境下实现对欠驱动无人艇的精准控制;相较于对比算法,位置的平均跟踪误差减小了80%以上,具备较高的稳定性和鲁棒性。     

基于反演自适应动态滑模的气垫船航向控制

针对全垫升气垫船运动非线性明显、可操纵性差,为改善操控水平,能够准确地按给定航向航行,设计了反演自适应动态滑模的航向控制算法。建立了三自由度全垫升气垫船平面运动数学模型,并给出了航向非线性控制模型。将反演方法与动态滑模相结合,设计新型切换函数,以实现航向的平滑、无抖振控制。最后,在不同外界扰动作用下进行了仿真,试验结果表明,所设计航向控制算法能够提高全垫升气垫船航向的控制精度,具有自适应性强、响应速度快、稳定性好等特点。     

无人水面艇模型辨识及其航向非线性控制的研究

无人水面艇是一种智能化海洋装备平台,有航速快、机动性强、自动化程度高等特点,可以执行各种危险以及不适合人员参与的任务;航向控制不仅关乎到航行的安全性与经济性,更是实现其无人行驶的基础;为了实现航向的自动控制,首先进行无人艇模型辨识,模型是控制的基础,控制效果的好坏不仅与控制策略有关,更与模型的精度有关;为了提高模型精度,采集Z型和回转实验以数据,通过递推最小二乘对无人艇的数学模型进行辨识;然后将模型的仿真实验与实船数据进行对比,验证了模型的正确性和合理性;基于Backstepping方法设计非线性航向控制器,借助Lyapunov 函数证明了闭环系统的稳定性;仿真结果表明系统的实际航向能实时跟踪设定航向,控制器具有良好的动静态特性和鲁棒性。     

无人水面艇复合自适应轨迹跟踪控制

针对存在模型参数不确定性和极易受到风、浪、流等时变干扰的欠驱动无人水面艇的轨迹跟踪控制问题,根据扰动观测器能对不确定项和外界干扰进行估计和补偿且具有鲁棒性特点,提出一种基于复合扰动观测器的自适应轨迹跟踪控制。该复合自适应观测器利用跟踪误差和估计误差共同调节自适应参数,在不激励高频未建模动态的情况下,该复合自适应闭环控制系统可得到更快的收敛速度和更高的跟踪精度。理论分析和仿真实验证明了所提出的无人水面艇复合自适应控制的有效性。     

基于自适应模糊滑模控制的船舶航向控制器设计

针对船舶运动系统中固有的非线性、模型不确定性和风、浪、流等的干扰.提出了自适应模糊滑模控制(AFSMC)策略解决船舶的航向控制问题.通过采用模糊逻辑系统逼近系统未知函数,将滑模控制技术与自适应模糊控制技术相结合,设计了船舶航向AFSMC控制器.在滑模边界层内应用PI (proportional-integral)控制代替滑模控制中的切换项,削弱了滑模控制带来的抖振现象.借助李亚普诺夫函数证明了船舶运动系统中的信号都一致有界并利用Barbalat引理证明了跟踪误差渐近收敛到零.在参数摄动和外界干扰情况下进行了航向保持与改变仿真试验,采用AFSMC控制器得到了与无摄动和无干扰情况下相似的输出响应.实验结果表明,所提控制器能有效地处理系统不确定性和外界干扰,控制性能良好,具有很强的鲁棒性.     

输入受限的非仿射无人帆船航向系统自适应动态面控制

针对输入受限和控制方向未知的无人帆船航向控制问题,考虑系统模型存在动态不确定和未知外界扰动的情况,本文提出一种基于非仿射航向运动数学模型的最小参数自适应递归滑模动态面控制策略.该策略通过Taylor展开方法将非仿射模型转化为具有线性结构的仿射时变系统,采用最小参数学习(minimal learning parameter,MLP)神经网络逼近无人帆船模型不确定部分,并利用双曲正切函数处理控制输入饱和现象,引入Nussbaum函数处理系统中未知控制方向问题,同时综合考虑帆船艏摇角速度误差和航向误差之间关系设计递归滑模动态面舵角控制律,并设计参数自适应律对神经网络逼近误差与复合干扰总和的界进行估计.选取李雅普诺夫函数证明了所设计控制器能够保证航向闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘12 m无人帆船进行仿真验证,结果表明无人帆船航向控制响应速度快,所设计的控制器能有效地处理模型不确定项和风浪等外界扰动,具有较强的鲁棒性.     

永磁直线同步电机的自适应Backstepping滑模控制研究

针对永磁直线同步电机(PMLSM)控制系统的不确定性因素,提出了自适应 Backstepping滑模控制器,实现运动跟踪。建立 PMLSM 系统模型,采用 Backstepping 设计,在滑模控制的基础上,基于 Lyapunov 函数设计自适应率,改善控制性能。仿真结果表明,系统具有稳定快速的跟踪性能,考虑实际系统中参数不确定性因素,控制器仍具有较强鲁棒性。     

Backstepping sliding mode control with functional tuning based on an instantaneous power approach applied to an underwater vehicle

In this paper, we present a modified backstepping sliding mode control to deal with Euler–Lagrange systems. The controller is applied in an underwater vehicle in order to show the effectiveness of the approach proposed. Instantaneous power data provided by the propulsion system are used to tune the controller in order to guarantee robust performance and energy saving. Thanks to the combination of an internal Proportional Integral and Derivative (PID) controller, it is possible implement high gains to deal with the influence of disturbances and uncertainties. A comparative study among this backstepping sliding mode controller and standard sliding mode controls is presented.     

无刷直流电机转速伺服系统反步高阶滑模控制

针对无刷直流电机转速伺服系统高性能非线性鲁棒控制, 提出一种新型的多滑模反步高阶滑模非线性控制方法. 在控制律设计的每一步都引入二阶滑模Super-Twisting 算法, 无需计算变量导数, 消除了滑模抖振, 并在第1 级子系统虚拟控制律设计中提出一种改进的二阶滑模Super-Twisting 算法. 与传统双闭环PI 控制相比, 能够令系统的动静态性能更好, 转矩脉动更小, 鲁棒性更强; 与标准Super-Twisting 算法相比, 进一步提高了系统对阶跃负载扰动的抑制能力. 最后通过仿真分析表明了所提出方法的有效性.

     

舰船混沌运动的单输入自适应变结构控制

针对在舰船混沌运动控制中由模型不确定性及外部扰动无法确知所引起的控制结果无法保证的问题,采用自适应控制与滑模变结构控制相结合的方法,在设计切换函数时,将符号函数转移到控制输入的一阶导数当中,有效抑制了变结构控制中的抖振问题,并提出了一种单输入自适应滑模变结构控制方法.实验结果表明,与传统滑模变结构控制相比,新方法能够在系统模型具有不确定性及未知外部扰动的情况下实现舰船混沌运动的良好控制,为舰船混沌运动控制提供了一种可靠的工程实现途径.     

New methodologies for adaptive sliding mode control

This article proposes new methodologies for the design of adaptive sliding mode control. The goal is to obtain a robust sliding mode adaptive-gain control law with respect to uncertainties and perturbations without the knowledge of uncertainties/perturbations bound (only the boundness feature is known). The proposed approaches consist in having a dynamical adaptive control gain that establishes a sliding mode in finite time. Gain dynamics also ensures that there is no overestimation of the gain with respect to the real a priori unknown value of uncertainties. The efficacy of both proposed algorithms is confirmed on a tutorial example and while controlling an electropneumatic actuator.     

基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模再入姿态控制

针对再入飞行器鲁棒姿态控制问题, 提出一种基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模控制器设计方法. 首先, 设计了一种时变滑模面, 并在此基础上推导了相应的时变滑模控制律, 其中滑模控制中切换增益通过一种自适应算法获得, 消除了控制器设计过程中对系统不确定性上界已知的要求; 然后, 利用高阶滑模观测器对控制器设计过程中用到的姿态角导数信息进行观测, 同时能够获得系统扰动估计值, 从而构造一种基于观测器的控制器形式; 最后, 通过仿真验证了所提出的控制算法在提高再入飞行器姿态控制精度以及系统鲁棒性方面的有效性.     

伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统反步滑模控制

针对伺服电机通过偏心轴连杆机构驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在减速比加工误差、偏心轴机械零位初始偏差和负载转矩扰动等问题,本文设计了一种基于双幂次趋近律和扩张状态观测器(ESO)的反步滑模控制器.首先,针对偏心轴转角到结晶器位移非线性关系逆解的非唯一性,可通过分段函数法建立结晶器位移到偏心轴转角一一对应的映射函数关系;其次,针对不可测的减速比加工误差和负载转矩扰动可采用扩张状态观测器来实时估计,以削弱扰动对系统跟踪性能的影响;最后,采用一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律以提高收敛速度和削弱抖振.仿真对比结果表明,本文所设计的控制器能有效实现连铸结晶器位移的渐近跟踪,并对系统扰动具有较强的鲁棒性.     

电液伺服系统的多滑模鲁棒自适应控制

针对一类参数与外负载非匹配不确定的非线性高阶系统,提出了一种基于逐步递推方法的多滑模鲁棒自适应控制策略.应用逐步递推的多滑模控制方法简化了高阶系统的控制问题,同时在自适应控制中加入鲁棒控制的方法,以消除不确定性对控制性能的影响.首先利用逐步递推方法与状态反馈精确线性化理论,得出确定系统的多滑模控制器设计方法;然后基于Lyapunov稳定性分析方法,给出不确定系统的参数自适应律,及鲁棒自适应控制器的设计方法.本文把该控制策略应用到电液伺服系统的位置跟踪控制中,仿真结果显示,该控制方法具有较强的鲁棒性及良好的跟踪效果.