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.     

含不等式约束的欠驱动系统约束跟随控制

在运动控制领域, 欠驱动机械系统通常需要满足一系列的等式约束(完整或非完整的)以便获得较好的运动 表现, 同时出于安全考虑还需要满足一定的不等式约束条件. 本文提出了一种约束跟随控制方法, 用以解决同时含 等式和不等式约束的欠驱动系统控制问题. 该控制设计主要分为两步: 第1步: 只考虑系统需要满足的等式约束, 运 用约束跟随控制方法推导出基于系统模型的状态反馈控制律; 第2步: 考虑系统需要满足的不等式约束, 先通过状 态变量映射将不等式约束整合到原等式约束中以得到新的等式约束, 再基于新的等式约束和第1步所述的约束跟随 控制方法, 推导出系统所需的状态反馈控制律. 将该约束跟随控制方法应用于三自由度非线性强耦合的欠驱动平面 垂直起降(PVTOL)飞行器. 仿真结果表明, 该控制方法能有效处理PVTOL飞行器运动过程中需满足的等式约束(轨 迹跟踪和姿态保持)和不等式约束(边界服从).     

欠驱动机械手的非线性补偿控制的实现

以具有欠驱动关节的水平两自由度机械手为对象，建立了其动力学数学模型。对具有非完全约束机器人的特点进行了分析。利用解非线性方程的有效方法一平均值法对模型进行了处理，得到平均值系统，使模型得到简化。含有非驱动关节的平面二自由度机械手具有不可积分的速度和加速度束。因而是一个二阶非完整系统。通过分析系统的动力学机构，设计了一种非线性补偿控制的方法来对欠驱动关节实现控制。实验结果表明。该控制方法在控制模型、控制算法和反馈控制方法上都是十分有效的。     

一种新的角加速度估计方法及其应用

首先提出了一种新的基于卡尔曼滤波及牛顿预测的角加速度估计方法,在已知电机驱动系统位置信息的情况下,利用卡尔曼滤波实时估计系统的角加速度;同时采用牛顿预测方法解决估计算法的滞后问题,进一步提高了估计加速度的响应频带．以此为基础,本文进一步分析了利用估计加速度进行反馈控制以增强系统对外扰动的鲁棒性问题,提出了加速度反馈控制策略的设计准则并分析了稳定性．在一个直接驱动机器人关节上针对上述加速度估计及控制方法进行了实验研究:将估计加速度的实验结果与实测加速度(利用加速度计)的实验结果进行了比较分析,从而定量地揭示出估计加速度及其反馈控制在实际系统中的可行性及有效性．     

一类模糊非线性系统自适应输出反馈控制

针对一类未知非线性系统,利用模糊逻辑系统、H∞控制和高增益观测器,提出了 一种模糊自适应输出反馈控制方法.证明了所设计的输出反馈控制器可以获得状态反馈控制 器的性能.仿真结果证明了所提出方法是有效的.     

基于高增益观测器的AUV水平面轨迹跟踪控制

通过研究欠驱动自治水下机器人（AUV）在水平面的运动规律,针对欠驱动AUV水平面轨迹跟踪控制中的非完整约束、模型中的耦合性和非线性、海流干扰、跟踪精度问题进行了深入的研究,运用高增益观测器结合反步控制方法对欠驱动AUV轨迹跟踪进行有效控制。定义了AUV的地面坐标系和船体坐标系,并完成了地面坐标系向船体坐标系的转换,建立了欠驱动AUV的水平面运动学模型和动力学模型。为欠驱动AUV所提出的高增益观测器结合反步控制方案,在保证跟踪系统稳定性的前提下,可以有效地提高跟踪精度,能够消除外界干扰对控制效果的影响,并使得控制输入满足实际工程的应用约束条件。控制方法的稳定性均采用Lyapunov稳定性理论加以证明,并通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。     

基于未知控制增益的非线性系统自适应迭代反馈控制

针对一类单输入单输出不确定非线性重复跟踪系统, 提出一种基于完全未知控制增益的自适应迭代反馈控制. 与普通迭代学习控制需要学习增益稳定性前提条件不同, 所提自适应迭代反馈控制律通过不断修改Nuss baum形式的反馈增益达到收敛. 证明当迭代次数i→δ时, 重复跟踪误差可一致收敛到任意小界δ. 仿真显示了所提控制方法的有效性.     

一类非线性系统的自适应滑模模糊控制

针对一类具有多个子系统的欠驱动非线性系统提出了一种自适应滑模模糊控制方法. 首先通过分析模糊控制与边界层滑模控制的相似性,提出了滑模模糊控制方法;然后根据滑模 面斜率和各子系统控制对于系统动态性能的影响,分别采用模糊推理根据系统状态自动地实时 调节滑模面斜率和各子系统在系统控制中的作用;最后通过简单的滑模模糊控制器实现对具有 多个子系统的欠驱动非线性系统的控制.将该方法应用于吊车的运输控制中,仿真结果证明了 其有效性和鲁棒性.     

基于能量的 Acrobot动态伺服控制

研究了 Acrobot 垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题. 动态伺服控制不同于定点控制和轨迹跟踪控制,而是利用欠驱动系统中存在的周期轨道特性,实现对轨迹的动态跟踪 .首先通过对比单摆运动规律寻找到周期轨道所满足的条件;然后利用 Lyapunov稳定性理论设计反馈控制律,并给出控制律存在的一系列条件;最后分析了系统中存在的奇点及其对收敛性的影响.仿真实验表明了所设计的控制器是有效的.

     

Lur'e多非线性系统的镇定与L2-增益控制的MI方法

考虑Lur'e多非线性系统的镇定与L2-增益控制问题.对Lur'e多非线性系统表示 控制对象,设计状态反馈和输出反馈控制器使闭环系统分别是绝对稳定和L2增益有限的.基 于矩阵不等式(MI)方法给出了镇定与L2-增益控制问题的可解条件,并讨论了控制器的设计 方法.     

基于粒子滤波的欠驱动移动机器人多目标点跟踪控制

针对欠驱动移动机器人的多目标点跟踪问题,提出了一种基于粒子滤波的高精度跟踪控制方法;具体地,在考虑移动机器人采样噪声的情况下,首先利用粒子滤波对移动机器人的位置信息进行处理,得到精准可靠的移动机器人状态信息;在此基础上,根据欠驱动移动机器人的运动学模型以及目标点的分布状况,设计基于反馈控制的多目标点跟踪控制方法;相对于传统的欠驱动移动机器人目标点跟踪控制算法,改进了该控制方法中增益参数的约束条件,有效避免了移动机器人在接近目标点时产生的奇异现象,有效提高了移动机器人对目标点的跟踪精度;此外,分析了该目标点跟踪控制系统的稳定性,并通过数值仿真验证了所提方法的可行性与有效性.     

基于能量耦合的欠驱动三维BC防摆控制

针对桥式起重机运行过程中,台车加速度变化引起的负载摆动问题,提出了一种用于欠驱动三维桥式起重机系统的能量耦合非线性控制方法.方法基于定绳长三维桥式起重机系统,引入负载空间位移误差信号,增强小车运动与负载摆动之间的耦合关系,构造新型的能量函数,设计了一种能量耦合的控制律;并且利用李雅普诺夫方法和拉萨尔不变性定理证明闭环系统的稳定性,能够实现台车定位与负载消摆功能.通过仿真结果分析,上述方法能够有效抑制负载摆动,实现台车定位,与传统PID控制和系统能量控制相比,具有更好的防摆控制效果.     

基于遗传算法的统一混沌系统的同步研究

混沌同步是当代非线性与控制学科中的一个热点问题.统一混沌系统为研究对象,将遗传算法和反馈同步法相结合,在同步混沌的过程中,针对反馈同步法在整定反馈增益矩阵时存在的困难,利用遗传算法对反馈增益矩阵进行动态地调整优化.还通过遗传算法使响应系统中的参数收敛于驱动系统中的未知参数.数值仿真实验表明,在驱动系统参数未知的情况下,响应系统能在短时间内或仅通过单个反馈增益变量实施反馈实现与驱动系统的同步,且其参数也能收敛于驱动系统中的未知参数.从而说明,文中所述方法的有效性.     

非线性时滞系统基于降阶观测器的反步镇定控制

针对一类状态未知的非线性严格反馈时滞系统, 本文提出了一种基于静态增益函数的输出反馈控制方案. 首先构造了降阶观测器以估计非线性系统的未知状态. 然后在Backstepping设计的每一步定义了具有控制增益函数 的新型Lyapunov-Krasovskii泛函以补偿未知时变时滞, 定义新的选择不唯一的连续控制增益函数以补偿非匹配项 以及Lyapunov-Krasovskii泛函补偿时滞时产生的非负项. 提出了一种无记忆输出反馈控制方案. 理论分析表明: 该 控制方案消除了未知时滞的影响, 保证了闭环系统所有信号的有界性, 并使系统实现渐近稳定. 最后仿真结果验证 了此控制方案的有效性.     

MIMO非仿射非线性系统的自适应模糊控制

针对一类多输入多输出非仿射非线性系统,设计了一种自适应模糊H∞控制方案,该方案把自适应模糊控制和高增益观测器结合起来.利用多变量的隐函数定理,证明了非仿射系统控制器的存在性.通过设计高增益观测器,解决了系统的状态不可测量问题,实现系统的输出反馈控制,模糊自适应控制增强了系统在线逼近干扰及处理系统不确定的能力.仿真结果表明了控制方案的有效性及优越性.     

调节L2增益抑制耦合发电机组的混沌现象

耦合发电机系统中一定条件下出现混沌, 它可能导致系统失控, 使系统彻底崩溃. 当系统存在不确定因素干扰时, 提出了L₂性能准则控制方法: 使耦合发电机系统渐进稳定和进行干扰抑制. 然后采用非线性系统无源化方法设计混沌系统的反馈控制律, 利用L₂增益进行干扰抑制. 最后计算机仿真证明该方法的有效性.     

基于主动滑模控制的一类不确定混沌系统的同步

讨论了一类不确定混沌系统的同步问题。基于主动控制思想,提出了一种新的主动滑模控制策略,使得从任意初始条件出发的不确定混沌系统在有限时间内趋近滑模面;通过一种新颖的虚拟反馈控制,得到了设计鲁棒滑模面的一个充分条件,较好地实现了响应系统与驱动系统的完全同步,确保了不确定混沌系统同步的鲁棒稳定性。该控制器适用于一般的混沌系统。以Lü混沌系统为例进行了仿真验证,仿真结果表明,该控制方法可以实现较快的混沌同步,且同步的鲁棒稳定性良好。     

轮子纵向打滑条件下的移动机器人自适应跟踪控制

针对纵向滑动参数未知的轮式移动机器人的轨迹跟踪问题,提出一种自适应跟踪控制策略.利用两个未知参数来描述移动机器人左右轮的纵向打滑程度,建立了产生纵向滑动的差分驱动轮式移动机器人的运动学模型;设计了补偿纵向滑动的自适应非线性反馈控制律;应用 Lyapunov 稳定性理论与 Barbalat 定理证明了闭环系统的稳定性;同时,提出了一种由极点配置方法在线调整控制器增益的方法.仿真结果验证了所提出控制方法的有效性.     

欠驱动冗余度空间机器人优化控制

欠驱动控制是空间技术中容错技术的重要方面.本文研究了被动关节中有制动器的欠驱动冗余度空间机器人系统的运动优化控制问题.从系统动力学方程出发,分析了欠驱动冗余度空间机器人的优化能力和控制方法;给出了主、被动关节间的耦合度指标;提出了欠驱动冗余度空间机器人系统的“虚拟模型引导控制”方法,在这种方法中采用与欠驱动机器人机构等价的全驱动机器人作为模型来规划机器人的运动,使欠驱动系统在关节空间中逼近给出的规划轨迹,实现了机器人末端运动的连续轨迹运动优化控制;通过末关节为被动关节的平面三连杆机器人进行了仿真,仿真的结果证明了提出算法的有效性.     

基于L1神经网络自适应算法的飞行器姿态控制

针对四旋翼飞行器系统非线性、欠驱动、强耦合的特性,提出了基于Sigmoid作用函数的L1神经网络自适应算法姿态控制器。反馈回路中设有低通滤波器,利用神经网络对系统非线性因素在线辨识。只要由低通滤波器和期望闭环系统组成的级联系统L1增益小于非线性因素的李普西兹常数的倒数,就能确保通过提高L1自适应增益,使系统的输入输出信号瞬态响应和稳态跟踪性能与期望的线性时不变系统响应保持一致。仿真验证了算法有效性。