一类3阶非线性系统的非奇异终端滑模控制

针对传统非奇异终端滑模控制方法不适用于3阶系统的问题,提出一类具有不确定和外干扰的3阶非线性系统的新型非奇异终端滑模控制方法.该方案首先结合backstepping控制中的动态面方法和传统2阶非奇异终端滑模控制构造非奇异3阶终端滑模面,首次提出采用高阶滑模微分器估计值代替控制器中的负指数项.采用非线性干扰观测器任意精度地估计不确定和干扰,设计控制器中的补偿项.采用终端吸引子函数做趋近律避免抖振的同时能保证有限时间趋近滑模面.基于有限时间稳定李雅普诺夫定理证明了被控状态将在有限时间内收敛到任意小的闭球内.所提出方案快于传统的递阶线性滑模控制和其他非奇异终端滑模控制.仿真中与其他滑模控制方案对比,总误差减小18%以上,超调及收敛时间也显著下降.     

非匹配不确定高阶非线性系统递阶Terminal滑模控制

对于高阶非线性系统,首先采用改进的高阶滑模微分器作为间接干扰观测器,获得前n-1个子系统中的非匹配复合干扰的估计值,证明了估计误差可任意小. 为避免代数环,设计了三种方案获得最后一个子系统中非匹配复合干扰的估计值,并证明了估计误差有界. 在此基础上设计递阶Terminal滑模控制器,证明了控制器参数非奇异及结构非奇异,并给出所需条件. 最后,证明了系统稳定,跟踪误差可任意小. 近空间飞行器姿态控制仿真验证了本文结论.     

非脆弱递归滑模动态面自适应神经网络控制

针对一类非匹配不确定非线性系统的跟踪控制问题, 提出了一种递归滑模动态面自适应控制算法. 采用神经网络(neural network, NN)在线逼近系统不确定项, 通过设计递归滑模动态面有效综合反推步骤中每步跟踪误差之间相互影响和制约的关系. 该方法避免了反推法存在的“微分爆炸”问题, 克服了传统动态面方法对其低通滤波器时间常数和神经网络自适应参数摄动脆弱的缺点. 稳定性分析证明了该方法能够保证闭环系统所有状态半全局一致最终有界, 且跟踪误差可以收敛至原点的任意小邻域.     

不确定非线性系统的自适应反推高阶终端滑模控制

针对一类非匹配不确定非线性系统,提出一种神经网络自适应反推高阶终端滑模控制方案.反推设计的前1步利用神经网络逼近未知非线性函数,结合动态面控制设计虚拟控制律,避免传统反推设计存在的计算复杂性问题,并抑制非匹配不确定性的影响;第步结合非奇异终端滑模设计高阶滑模控制律,去除控制抖振,使系统对于匹配和非匹配不确定性均具有鲁棒性.理论分析证明了闭环系统状态半全局一致终结有界,仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

不确定非线性系统的自适应反演终端滑模控制

针对一类参数严格反馈型不确定非线性系统, 本文提出一种自适应反演终端滑模控制方法. 反演控制的前n-1步结合自适应律估计系统的未知参数, 第n步采用非奇异终端滑模, 使系统最后一个状态有限时间内收敛.利用微分估计器获得误差系统状态的导数, 并设计了高阶滑模控制律, 去除控制抖振, 使系统对于匹配和非匹配不确定性均具有鲁棒性. 同自适应反演线性滑模方法相比, 所提方法提高了系统的收敛速度和稳态跟踪精度, 并且控制信号更加平滑. 仿真结果验证了该方法的有效性.     

非匹配不确定系统的自适应反步非奇异快速终端滑模控制

针对一类n阶非匹配不确定系统,提出一种自适应反步非奇异快速终端滑模控制方法.控制的前n-1步采用自适应反步控制策略,消除非匹配不确定性的影响;最后一步利用误差的积分构造非奇异快速终端滑模面,设计控制律使系统第n个状态有限时间收敛.该方法对系统中匹配和非匹配不确定项均具有鲁棒性,比自适应反步终端滑模方法具有更快的收敛速度.理论分析证明了闭环系统的稳定性,仿真结果验证了该方法的有效性.     

Buck变换器的降阶扩张状态观测器与无抖振滑模控制

针对脉宽调制型Buck变换器的内外干扰和滑模控制的抖振等问题, 本文提出了一种基于降阶扩张状态观测器 和无抖振滑模的新型控制策略. 首先, 建立新型的跟踪误差状态空间模型, 将匹配和不匹配干扰定义为统一的匹配干扰; 然后, 设计降阶扩张状态观测器提高跟踪误差微分和系统干扰的估计速度, 并抵消负载和输入端的电压变化、系统参数 不确定性对控制系统的影响; 其次, 利用跟踪误差微分的估计值设计滑模控制器抑制干扰估计误差, 使得切换项近似为 零, 实现滑模技术的无抖振控制, 提高Buck变换器系统电压跟踪的快速性和准确性. 利用李雅普诺夫稳定判据从理论上 证明了所提控制器的闭环稳定性. 最后, 仿真结果表明所提方法通过抑制抖振和内外干扰有效改善Buck变换器的鲁棒 性和动态性能.     

高阶滑模微分器的分析与改进

首先采用Terminal吸引子函数代替原不连续函数,以避免滑模微分器的抖振;然后针对现有文献中高阶滑模微分器设计参数选取苛刻这一问题,放宽了设计参数选择范围,并分不同情况证明了高阶滑模微分器的稳定性．在此基础上,给出了高阶滑模微分器估计误差的上界与设计参数和滑模微分器阶次的关系式;通过对设计参数的选取和系统整体结构的分析,提出了高阶滑模微分器减小估计误差且更适于工程应用的设计方法,并给出所需条件．仿真结果表明了所得结论的正确性和有效性．     

多输入不确定系统的平滑非奇异终端滑模控制

研究多输入通道的参数摄动和外部扰动对控制系统输入输出和内部状态稳定性的影响. 采用两次模型变换实现输入输出和内部状态解耦, 运用Lyapunov 稳定定理建立系统收敛区域与不确定项范围的数学关系. 提出一种平滑非奇异终端滑模控制方法, 引入虚拟控制项以增加系统的相对阶, 利用鲁棒微分器合理提取微分信号, 实现系统的无抖振滑模控制. 仿真研究表明了所提出方法的有效性.     

非匹配不确定系统的自适应反演准滑模控制

对于一类n阶非线性系统,提出一种自适应反演准滑模控制方法,控制的前n-1步采用自适应反演算法消除非匹配不确定性的影响,在最后一步,为改进跟踪效果,结合了可变边界层的思想,设计了准滑模控制方法,达到系统的n个状态快速收敛的目的.最终系统中不满足匹配条件的部分也具有较好的鲁棒性.与自适应反演线性滑模方法相比具有更好的跟踪性,理论分析证明了控制系统在削弱抖振的同时也能保证稳态精度,仿真实验证明了该方法的可行性.     

Finite time state and disturbance estimation for robust performance of motion control systems using sliding modes

In this paper, simultaneous state and disturbance estimation of a drive system composed of motor connected to a load is proposed. Such a system is represented by a two mass model realising in a fourth-order plant. Backlash is introduced as the nonlinear disturbance in gears which is proposed to be estimated and in turn compensated. For this motion control system, a two-stage higher order sliding-mode observer is proposed for state and backlash estimation. The novelty lies in the fact that for this fourth-order system, output is considered from the motor end only, i.e. its angular displacement. The unmeasured states consisting of output derivative, load-side angular displacement and its derivative along with backlash are estimated in finite time. This disturbance due to backlash is unmatched in nature. The estimated states and disturbance are used to devise a robust sliding-mode control. This proposed scheme is validated in simulation and experimentation.     

一类非线性直升机模型的滑模降阶控制器设计

针对带有交叉耦合的多输入CE150直升机模型,研究了一类多输入仿射非线性系统的控制设计问题,基于滑模变结构控制理论,采用了一种新的控制器设计方法:滑模降阶方法,即反复运用变结构控制理论,对一类高阶的仿射非线性系统,构造了合适的微分同胚变换函数,把初始高阶系统降至低阶系统,并构造了变结构控制律,再利用当前级和上一级控制输入的映射关系反推出初始系统的控制输入.通过CE150直升机模型仿真结果表明,该方法有效可行.     

An Output Tracking VSS Control in The Presence of A Class of Mismatched Uncertainties

A variable structure control system for output tracking in the presence of a class of mismatched uncertainty is studied in this paper. For the mismatched uncertainty, we use an unknown input observer to estimate the states and then apply the VSS control methodology to attain asymptotic output tracking for an arbitrary desired trajectory. The robustness of the VSS control system in the presence of mismatched uncertainty is analyzed using the quadratic stability approach.     

High‐order mismatched disturbance rejection control for small‐scale unmanned helicopter via continuous nonsingular terminal sliding‐mode approach

In this paper, the problem of finite‐time control for small‐scale unmanned helicopter system with high‐order mismatched disturbance is investigated via continuous nonsingular terminal sliding‐mode control approach. The key idea is to design a novel nonlinear dynamic sliding‐mode surface based on finite‐time disturbance observer. Then, the finite‐time convergence and chattering attenuation capability is guaranteed by the continuous nonsingular terminal sliding‐mode control law. Additionally, rigorous finite‐time stability analysis for the closed‐loop helicopter system is given by means of the Lyapunov theory. Finally, some simulation results demonstrate the effectiveness and predominant properties of the proposed control method for the small‐scale unmanned helicopter even in the presence of high‐order mismatched disturbance.     

非线性不确定系统的非奇异快速终端滑模控制

针对存在非匹配干扰的非线性系统,设计了一种基于干扰观测器和反步法的非奇异快速终端滑模控制.引入非线性干扰观测器估计系统的不确定性,利用反步的思想处理高阶非线性系统,从而可以将非线性干扰观测器估计的干扰值引入反步法的虚拟控制量中,同时设计一种新颖的非奇异快速终端滑模控制律保证系统的收敛速度和精度.利用Lyapunov函数从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的有限时间收敛.最后通过数值仿真验证了所设计的控制方法的有效性.     

一种非线性观测器和能量结合的反馈控制系统

文中利用高增益观测器和状态反馈控制器设计的分离性原理,提出了一种结合非线性观测器和能量的基于估计状态的反馈控制系统.针对垂直欠驱动具有旋转激励的平移振荡器非线性系统,首先,利用高增益观测器,选取合适的增益,使得观测值迅速收敛到系统的状态,其次,从系统能量的角度出发,选取一个恰当的李雅普诺夫函数,证明了所得到的反馈控制系统的渐进稳定性,系统分析及仿真结果表明该方法在动态性方面优于采用高增益观测器和滑模相结合的控制方法,便于工程实现.     

基于无源性的永磁电机无速度传感器控制

针对永磁电机(PMSM)提出了一种无速度传感器的非线性控制策略. 该策略能在已知负载的基础上实现给定转矩的精确跟踪. 电机的速度通过一非线性降阶观测器来实现估计. 在此基础上, 利用电机的无源特性来设计电机的控制策略. 最后通过仿真验证了所提出策略的有效性.     

一类非线性时变系统的迭代学习控制

针对一类具有任意初态的不确定非线性时变系统,应用校正期望轨迹方法把任意初态问题转换为零初始误差的变期望轨迹的迭代学习控制问题,提出了求解校正期望轨迹的过渡轨迹的计算方法.然后,针对变期望轨迹问题提出了一种新的迭代学习控制算法,在算法中引入了期望轨迹的高阶导数来克服期望轨迹的变化,并通过设计稳定的跟踪误差滑动面来处理系统中非线性时变不确定性.论文给出了相关定理,并应用类Lyapunov方法给出了详细证明.仿真结果表明所提出的算法是有效的,该算法不需要系统的模型结构信息,比自适应迭代学习控制算法具有更宽的适用范围.     

Design of decentralised variable structure observer for mismatched nonlinear uncertain large-scale systems

Although the state feedback approach is quite popular in control engineering, it cannot be used while the system states cannot be measured. The state observer approach may be used to overcome such a shortcoming. Also, most control systems have become larger and more complicated; therefore, based on the variable structure control theory, a new decentralised variable structure observer (DVSO) for a class of nonlinear large-scale systems with mismatched uncertainties will be considered in this article. The switching surface function is determined such that the equivalent system will have the desired behaviour once the system reaches the switching surface. And then a new DVSO is designed such that the estimated states will approach the system states. Using the Lyapunov stability theory and using the generalised matrix inverse concept, the uncertain nonlinear error system trajectories can be driven onto the sliding manifold and then the existence of a sliding mode and the attractiveness to the sliding surface is ensured. With the proposed DVSO, the estimation errors asymptotically tend to zero if the matching condition is satisfied, and the effects of the mismatched parts can be uniformly ultimately bounded if the matching condition is not satisfied. Finally, a numerical example with a succession of computer simulations is given to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

Sliding mode control for time-varying delayed systems based on a reduced-order observer

In this paper, a stabilisation problem for a class of nonlinear systems is considered, where both the nonlinear term and the nonlinear uncertainty are mismatched and subject to time-varying delay. Under the assumption that the delay is known, a reduced-order observer is designed using an appropriate transformation. A sliding surface is proposed in an augmented space formed by the system outputs and the estimated states. The sliding mode dynamics are derived using an equivalent control approach, and the Lyapunov-Razumikhin approach is exploited to analyse the stability of the sliding motion. Then, a sliding mode control law is developed such that the system can be driven to the sliding surface in finite time. A simulation example shows the effectiveness of the proposed approach.