基于干扰观测器的终端滑模控制研究

针对一类非线性不确定系统,提出一种带干扰观测器的终端滑模控制TSMC方案.在不考虑外部干扰的影响下,设计了终端滑模控制,保证系统状态在有限时间内收敛到零;当存在干扰时,构造了非线性干扰观测器系统,以在线逼近未知外部干扰,消除其影响.考虑输人通道的不确定性,采用自适应方法在线逼近不确定的上界,并采用Lyapunov方法严格证明了自适应闭环系统的稳定性.对一级倒立摆系统进行仿真,仿真结果表明了所设计控制方案的有效性.     

一类含输入时滞非线性系统的干扰观测器控制

基于干扰观测器控制（Disturbance-observer-based control,DOBC）作为一种有效的干扰补偿策略取得了广泛的应用. 然而,当干扰和控制输入不能在同一时刻进入控制通道时,外部信号很难得到实时估计和补偿.提出一种复合DOBC结构,包括干扰观测、干扰预测和反馈调节三个部分.该方法的特点是即使一类非线性系统存在输入时滞,同样可以继承传统DOBC的优点. 最后,通过构造辅助观测器给出了预测误差以及复合闭环系统的稳定性分析方法.     

基于非线性干扰观测器的减摇鳍滑模反演控制

利用一种非线性干扰观测器观测减摇鳍系统的不确定性和随机海浪干扰,通过选择设计参数使观测误差指数收敛.针对引入非线性干扰观测器后的系统采用滑模反演法设计控制器,控制律的设计保证了闭环系统的稳定性.仿真结果表明,在不同浪向角和航速的各种海况下采用该控制策略,系统均能取得较好的减摇效果,同时能很好地克服对象的不确定性和随机海浪干扰,鲁棒性较强.     

基于干扰观测器的桥式起重机终端滑模控制

针对桥式起重机在外部扰动和不确定系统参数影响下的防摇控制问题,提出基于干扰观测器的终端滑模控制方法.该方法在保留外部干扰项的前提下建立起重机动力学模型,然后设计干扰观测器估计系统所受的干扰,并基于估计值设计自适应滑模控制器,主动补偿外部干扰对系统的影响,实现小车精准定位的同时有效抑制负载摆动.仿真结果表明,该方法具有良...     

基于滑模干扰观测器的直流电机系统复合控制

随着直流电机设备在农林业、制造工业和航空航天领域应用得越来越广泛,实际工程对其性能的要求也越来越高。针对直流电机系统控制中面临的建模误差、参数摄动以及摩擦力矩干扰问题,提出一种滑模干扰观测器(SMDOB,sliding mode disturbance observer),其输出可作为控制系统中干扰补偿的设计依据。基于所设计的内环SMDOB,并利用不变性原理,提出一种外环复合控制方案,从而实现直流电机系统的位置跟踪能力。仿真结果表明,相比传统的控制方案,该控制方案下电机系统的跟踪性能更好,对建模误差、参数摄动以及摩擦力矩干扰的鲁棒性更高。而且,该控制方案的结构较为简单,易于工程实现。     

基于扰动观测器的双容水箱液位系统自适应滑模控制

针对存在外部扰动的双容水箱液位系统,为了实现精确的液位控制,该文提出了一种基于非线性扰动观测器的自适应滑模控制方法。设计了含积分作用的滑模面和自适应滑模趋近律,以提高趋近速度和控制精度,并且减小抖振。同时提出了一种非线性扰动观测器估计系统的外部扰动,并将估计值前馈补偿到自适应滑模控制器。通过李亚普诺夫稳定性定理证明了该控制策略的闭环系统稳定性。仿真和实验结果表明,在系统存在外部干扰的环境下,所提出的控制策略与传统滑模控制方法相比,控制精度更高且干扰抑制能力更强。     

基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼上楼梯滑模控制

针对下肢外骨骼在轨迹跟踪时对内部参数扰动和外界干扰较为敏感的特性,设计一种基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼机器人滑模控制策略。首先建立下肢外骨骼上楼梯的动力学模型,分析其动力学特性;其次设计非线性干扰观测器,对下肢系统的不确定性和外部干扰进行观测;在此基础上,为保证系统轨迹跟踪误差的收敛性和减弱抖振,设计了低通滤波的滑模控制器,根据李雅普诺夫稳定性理论证明了下肢系统的稳定性;最后通过仿真与实验验证,该控制策略能够有效克服多种因素引起的干扰,改善系统的控制性能,提高系统的稳定性。     

基于高阶观测器和干扰补偿控制的模型预测控制方法

针对状态不可测、外部干扰未知, 并且状态和输入受限的离散时间线性系统, 将高阶观测器、干扰补偿控制与标准模型预测控制(Model predictive control, MPC)相结合, 提出了一种新的MPC方法. 首先利用高阶观测器同步观测未知状态和干扰, 使得观测误差一致有界收敛;然后基于该干扰估计值设计新的干扰补偿控制方法, 并将该方法与基于状态估计的标准MPC相结合, 实现上述系统的优化控制. 所提出的MPC方法克服了利用现有MPC方法求解具有外部干扰和状态约束的优化控制问题时存在无可行解的局限, 能够保证系统状态在每一时刻都满足约束条件, 并且使系统的输出响应接近采用标准MPC方法控制线性标称系统时得到的输出响应. 最后, 将所提控制方法应用到船舶航向控制系统中, 仿真结果表明了所提方法的有效性和优越性.     

基于干扰观测器的非线性不确定系统自适应滑模控制

本文研究了一类基于非线性干扰观测器的多输入多输出非线性不确定系统的边界层自适应滑模控制方法并应用于近空间飞行器高精度姿态控制.考虑系统存在不确定性和外部干扰上界未知的情况,设计了基于干扰观测器的边界层自适应滑模控制器,以消除传统滑模控制中的"抖振"现象,使跟踪误差趋近于零.同时,利用李雅普洛夫方法严格证明了闭环系统的稳定性.最后将所研究的自适应滑模控制方法,应用于某近空间飞行器的姿态控制中,仿真结果表明在不确定性和外部干扰作用下能保证姿态控制的稳定性,对参数不确定具有较好的鲁棒性.     

基于非线性干扰观测器的飞机全电刹车系统滑模控制设计

飞机防滑刹车具有典型的强非线性、强耦合和参数时变等特点, 并且跑道环境的干扰容易对飞机的地面滑跑性能造成不利影响. 本文提出了一种基于非线性干扰观测器的飞机全电防滑刹车系统滑模控制设计方法. 首先, 考虑了实际刹车不确定性干扰条件下的防滑刹车动力学建模问题, 通过对高阶非线性刹车系统进行反馈线性化处理, 简化了基于严格反馈的模型. 其次, 基于对主轮打滑原因的深入分析, 设计了非线性干扰观测器对干扰进行在线估计, 并在控制律设计中引入补偿部分. 通过构造递归结构的快速终端滑模控制器来跟踪实时变化的最佳滑移率并建立稳定性条件, 实现了飞机全电防滑刹车系统的有限时间快速稳定并有效抑制了主轮锁定打滑. 通过在不同跑道状态下进行模拟仿真, 验证了本文提出的飞机防滑刹车控制策略可以有效地提高刹车效率.     

Model predictive position control of permanent magnet synchronous motor servo system with sliding mode observer

In order to improve the control accuracy and robustness of permanent magnet synchronous motor (PMSM) servo system, a new non-cascade predictive control strategy is proposed to replace the traditional three-closed-loop servo control in this paper. The design process is as follows. First, the state variables and a discrete-time state space model of motor are defined; meanwhile, the lumped term of disturbance is included in the motor model. Second, the optimal cost function is chosen to design the model predictive controller (MPC). Then, according to the uncertain parameters and external disturbance, the sliding mode observer (SMO) is introduced to estimate and compensate the disturbance. Finally, the comparative experimental result proves that the proposed predictive control method not only has less regulation parameters but also has high position tracking accuracy and strong anti-interference ability even under different conditions.     

Second-order terminal sliding mode control for hypersonic vehicle in cruising flight with sliding mode disturbance observer

This paper focuses on the design of nonlinear robust controller and disturbance observer for the longitudinal dynamics of a hypersonic vehicle (HSV) in the presence of parameter uncertainties and external disturbances. First, by combining terminal sliding mode control (TSMC) and second-order sliding mode control (SOSMC) approach, the secondorder terminal sliding control (2TSMC) is proposed for the velocity and altitude tracking control of the HSV. The 2TSMC possesses the merits of both TSMC and SOSMC, which can provide fast convergence, continuous control law and hightracking precision. Then, in order to increase the robustness of the control system and improve the control performance, the sliding mode disturbance observer (SMDO) is presented. The closed-loop stability is analyzed using the Lyapunov technique. Finally, simulation results illustrate the effectiveness of the proposed method, as well as the improved overall performance over the conventional sliding mode control (SMC).     

Multirate sliding mode disturbance compensation for model predictive control

In this paper, a novel hierarchical multirate control scheme for nonlinear discrete‐time systems is presented, consisting of a robust nonlinear model predictive controller (NMPC) and a multirate sliding mode disturbance compensator (MSMDC). The proposed MSMDC acts at a faster rate than the NMPC in order to keep the system as close as possible to the nominal trajectory predicted by NMPC despite model uncertainties and external disturbances. The a priori disturbance compensation turns out to be very useful in order to improve the robustness of the NMPC controller. A dynamic input allocation between MSMDC and NMPC allows to maximize the benefits of the proposed scheme that unites the advantages of sliding mode control (strong reduction of matched disturbances, low computational burden) to those of NMPC (optimality, constraints handling). Sufficient conditions required to guarantee input‐to‐state stability and constraints satisfaction by the overall scheme are also provided. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

TORA系统基于自调节滑模干扰补偿器的解耦滑模控制

针对欠驱动TORA系统,提出一种基于自调节滑模干扰补偿器的解耦滑模控制方法。所提出的控制方法无需系统不确定性上界的先验信息,对于系统不确定性具有良好的适应性。该控制方法包括设计一种自调节滑模干扰补偿器和一种新型的双幂次趋近律,所设计的自调节滑模干扰补偿器能够利用切换增益自适应算法准确逼近上界未知的系统不确定性,所提出的新型双幂次趋近律能够保证系统状态的快速趋近并抑制控制器的高频抖动。采用Lyapunov稳定性理论证明闭环控制系统的稳定性,并通过数值仿真实验验证所提出的控制方法的有效性。     

基于MATLAR的磁悬浮球系统PID控制器设计与实现

介绍了磁悬浮球系统的结构和工作原理,建立了磁悬浮系统的数学模型并进行线性化处理;设计PID控制器,在Simulink环境下搭建控制系统的模型进行仿真研究,并在固高GML1001系列磁悬浮装置上进行实时控制实验。实验结果表明,采用PID控制,能使钢球快速地悬浮在期望位置,并且有一定的抗干扰能力。     

基于扰动观测器的不确定非线性系统非奇异终端滑模控制

针对一类SISO 非线性不确定系统, 提出一种基于扰动观测器的非奇异终端滑模(NTSM) 控制策略. 在保证控制器非奇异性的情况下, 设计了一种改进的NTSM函数, 理论分析证明了到达滑模面的时间小于传统NTSM控制算法的到达时间. 同时为了消除系统扰动量对控制器抖振的影响, 设计了一种线性扰动观测器以降低滑模切换项的增益, 并采用Sigmoid 函数来替代传统的符号函数. 仿真结果表明了所得结论的正确性和有效性.     

Adaptive sliding mode controller based on super-twist observer for tethered satellite system

ABSTRACT

In this work, the sliding mode control based on the super-twist observer is presented. The parameters of the controller as well as the observer are admitted to be time-varying and depending on available current measurements. In view of that, the considered controller is referred to as an adaptive one. It is shown that the deviations of the generated state estimates from real state values together with a distance of the closed-loop system trajectories to a desired sliding surface reach a μ-zone around the origin in finite time. The application of the suggested controller is illustrated for the orientation of a tethered satellite system in a required position.     

改进非线性干扰观测器的机械臂自适应反演滑模控制

针对传统滑模和传统干扰观测器在机械臂关节位置跟踪中存在的控制输入抖振、需要测量加速度项、应用模型受限等问题,提出一种改进非线性干扰观测器的机械臂自适应反演滑模控制算法。首先,设计改进的非线性干扰观测器进行在线测试,在滑模控制律中加入干扰估计值对可观测的干扰进行补偿;然后选择合适的设计参数,使观测误差指数型收敛;其次,引入反演自适应控制律,对不可观测的干扰进行估计,进一步改善控制系统的跟踪性能;最后,利用李雅普诺夫函数验证了闭环系统的渐近稳定性,并将其应用于机械臂关节位置跟踪。实验结果表明,与传统滑模算法比较,所提控制算法不但加快了系统的响应速度,而且能有效地削弱系统抖振、避免测量加速度项并扩大应用模型使用范围。