关于Sontag-Type控制的注记

基于控制李雅普诺夫函数的Sontag-Type控制是仿射系统鲁棒镇定中的重要控制律.首先揭示该控制律本质上是一种变结构控制且闭环的切换面总可达,受此启发并为了相对容易地构造控制李雅普诺夫函数,运用零状态可检测概念定义弱控制李雅普诺夫函数,并证明了基于弱控制李雅普诺夫函数的Sontag-Type控制的优化镇定性.文中还证明,在温和条件下,基于弱控制李雅普诺夫函数的Sontag＿Type控制为仿射系统的输入到状态镇定控制.     

基于积分反步法的轧机速度系统控制器设计

本文给出了基于积分反步法的控制器设计方法，该方法通过逐步修正算法设计镇定控制器，实现系统的全局调节或跟踪。每一步把状态坐标变换、一个给定的李雅普诺夫函数和虚拟控制联系起来，最终得到一个控制李雅普诺夫函数(clf)。基于上述方法，对直流电机驱动的轧机速度系统进行了反馈控制器设计。仿真研究结果表明，本文所设计的反馈控制器使闭环系统稳定，系统具有良好的跟踪性能。     

基于分段多项式李雅普诺夫函数的模糊系统的稳定性分析

本文采用最大型分段多项式李雅普诺夫函数研究了多项式模糊系统的闭环稳定性问题.首先,本文设计了与分段李雅普诺夫函数对应的切换模糊控制器,提出了多项式模糊模型稳定的平方和条件,同时证明了最大型分段多项式李雅普诺夫函数在函数切换点的稳定性.然后,设计了相应的路径跟踪优化算法,对本文非凸的稳定条件进行迭代求解.最后,通过两个算例进行仿真与比较,说明并验证了本文所提出结论的可行有效性.     

带有时变输出约束的机械臂自适应轨迹跟踪控制

针对带有输出约束和动力学模型参数未知的机械臂系统，提出一种基于时变tan型障碍李雅普诺夫函数的自适应控制方法.首先，通过设置时变约束边界，给出了一个时变tan型障碍李雅普诺夫函数，保证系统在初始误差较大情况下的瞬态性能和稳态性能，拓展了传统对数型障碍李雅普诺夫函数的适用范围.其次，为了处理机械臂动力学模型的不确定性，采用径向基神经网络(RBFNN)拟合未知的动力学模型，设计了基于RBFNN的自适应控制器，在满足约束的情况下提高了系统的鲁棒性.最后，通过二自由度机械臂轨迹跟踪的仿真，验证了所提方法的控制性能优于传统的PD控制器.     

基于反步控制的多AUV编队控制方法研究

针对自主水下机器人(AUV)集群编队任务的实际需求,本文提出了一种基于反步控制思想的多AUV编队控制算法.根据多AUV集群系统的平面Leader-Follower编队模型,推导了多AUV编队控制的数学模型和优化目标.对于积分串联型的AUV非线性系统,借鉴反步控制思想设计了一种新型的控制律函数,采用李雅普诺夫理论证明了AUV集群系统编队控制的稳定性.仿真结果表明,采用本文提出的编队控制方法,AUV集群能够较好实现队形保持与队形切换功能,算法收敛,满足实际编队控制的需求.     

位置和速度受限的微型无人直升机轨迹跟踪控制器

针对微型无人直升机在狭窄空间中的轨迹跟踪问题,设计了一种可以限制直升机位置和速度的跟踪控制器.首先将直升机的模型简化为一个未建模的动态模型.基于简化模型利用受限反步法设计控制器,其中在位置控制回路用障碍李雅普诺夫函数代替传统的纯二次型李雅普诺夫函数,以此来限制直升机的位置和速度;用指令滤波器对反步过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.此外,将未建模动态和指令滤波器误差合并成有界扰动项,并设计了自适应算法对扰动的上界进行估计和补偿.稳定性分析证明了直升机的闭环跟踪误差最终一致有界,且位置和速度始终位于预设的限制集合中.仿真结果验证了该控制器的有效性.     

控制李雅普诺夫承数的镇定应用

指出控制李雅普诺夫承数(源于松弛控制)正是零状态可检测性的一种刻面,并由此区别 两类镇定控制;无源性控制和Sontag型控制.然后考察一类典型的级联系统,基于一定条件下的控 制李雅普诺夫函数,给出了不同于无源性控制的Sontag型镇定设计;考察这类系统的扰动情形,基 于一定条件下的输入到状态稳定控制李雅普诺夫承数,给出了Sontag型输入到状态镇定设计.     

考虑扰动及模型不确定的无人船路径跟踪控制

针对外界扰动与模型不确定因素影响下的无人船路径跟踪控制问题,引入Serret-Frenet坐标系对无人船的路径跟踪问题进行数学描述,根据给定的期望跟踪路线与当前无人船的位置信息,利用李雅普诺夫直接法设计无人船航行速度与航向角度的期望值作为路径跟踪的虚拟控制律,通过设计滑模控制器实现对虚拟控制量的误差跟踪控制,通过设计切换函数避免无人船的控制量出现饱和或抖振现象,进而降低模型不确定及干扰对路径跟踪控制的影响。仿真实验表明,设计的控制器可在外界时变扰动与模型不确定的前提下完成对给定路线的理想跟踪。     

航天器全状态约束输出反馈控制

针对无角速度测量的刚性航天器姿态跟踪问题,提出一种全状态约束输出反馈控制方法.建立修正罗德里格参数描述的系统模型,提出能够适用于约束与非约束情况的改进型障碍李雅普诺夫函数(MBLF),拓展传统对数型障碍李雅普诺夫函数的适用范围.构造二阶辅助系统,将控制输入和饱和输入之间的差作为构造系统的输入,进而产生信号以补偿饱和的影响.设计状态观测器估计未知状态量,并结合反步法设计输出反馈控制律,保证系统全状态约束性能和姿态跟踪精度.通过李雅普诺夫稳定性分析证明姿态观测误差和跟踪误差能够达到一致最终有界.仿真结果验证所提方法的有效性.     

具有有界控制输入的状态反馈控制系统闭环稳定性

本文基于李雅普诺夫定理,给出了具有有界控制输入的离散时间系统和连续时间控制系统的闭环渐近稳定性判据。利用不考虑控制约束时闭环系统李雅普诺夫矩阵方程解,得出了当控制输入有界时,线性状态反馈控制系统为渐近稳定的充分条件。这些判据具有简单的形式,并且易于计算。     

小型无人直升机姿态非线性鲁棒控制设计

本文针对小型无人直升机的姿态控制问题,通过系统参数辨识,获得了较为准确的无人直升机姿态动力学模型.并根据无人直升机的动态特性,设计了基于神经网络前馈与滑模控制的非线性鲁棒姿态控制律,该控制律对直升机模型的先验知识要求较低.利用基于Lyapunov的分析方法证明,设计的控制律能够实现对无人直升机姿态角的半全局指数收敛镇定控制,并能确保闭环系统的稳定性.基于姿态飞行控制实验平台的实时飞行控制实验结果表明,提出的控制设计取得了很好的姿态控制效果,并对系统不确定性和外界风扰动具有较好的鲁棒性.     

基于光滑二阶滑模的可重复使用运载器有限时间再入姿态控制

针对可重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)的六自由度再入模型,考虑模型不确定和外界干扰对再入姿态控制的影响,提出了一种非线性鲁棒控制策略.首先,根据多时间尺度特性将RLV的再入姿态模型分为姿态角子系统和姿态角速率子系统.其次,对每个子系统分别设计光滑二阶滑模控制器和滑模干扰观测器实现子系统的有限时间稳定.利用干扰观测器可以实现对不确定和外界干扰的精确估计,从而对控制器进行有效的补偿.进而,基于Lyapunov理论证明了整个系统的有限时间稳定.最后,通过仿真验证了提出的控制策略具有良好的控制性能和鲁棒性.     

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.     

Observer-based robust optimal control for helicopter with uncertainties and disturbances

Unknown model uncertainties and external disturbances widely exist in helicopter dynamics and bring adverse effects on control performance. Optimal control techniques have been extensively studied for helicopters, but these methods cannot effectively handle flight control problems since they are sensitive to uncertainties and disturbances. This paper proposes an observer-based robust optimal control scheme that enables a helicopter to fly optimally and reduce the influence of unknown model uncertainties and external disturbances. A control Lyapunov function (CLF) is firstly constructed using the backstepping method, then Sontag's formula is utilized to design an inverse optimal controller to stabilize the nominal system. Furthermore, it is stressed that the radial basis function (RBF) neural network is introduced to establish an observer with adaptive laws, approximating and compensating for the unknown model uncertainties and external disturbances to enhance the robustness of the closed-loop system. The uniform ultimate boundedness of the closed-loop system is ensured using the presented control approach via Lyapunov stability analysis. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy.     

鲁棒自适应滑模虚拟执行器设计

为了解决具有不确定性的非线性系统发生执行器故障后的安全运行问题,针对未建模动态、外界扰动和参数不确定等各种不确定性的综合影响,提出了一种鲁棒自适应滑模虚拟执行器控制重构策略.该方法利用滑模控制具有鲁棒性的特点消除不确定性的影响,采用参数自适应方法使得无须己知不确定项的上界,同时具有虚拟执行器不改变标称控制器结构和参数的特点.采用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性和鲁棒性.通过动力定位船仿真验证了该方法的有效性.     

基于干扰抑制控制的飞行器姿态跟踪

本文针对飞行器姿态跟踪控制问题, 考虑系统的内部模型不确定性和外界扰动, 设计了使跟踪误差一致最终有界的控制器. 以四元数为姿态参数, 建立系统的非线性误差模型; 将控制系统分为内环观测器和外环控制器分别设计, 其中, 线性扩张状态观测器作为系统内环将实际系统补偿为标称模型, 而外环非线性控制器则用于镇定非线性标称系统. 最后, 利用Lyapunov理论得到了一致最终有界的稳定性结论, 并基于频域理论, 分析了线性扩张状态观测器阶次对系统性能的影响. 姿态跟踪实验表明, 本文设计的控制系统能够有效实现飞行器的姿态跟踪控制.     

飞翼布局无人机分数阶积分滑模姿态控制

针对存在复合干扰的飞翼布局无人机(UAV)姿态控制问题,提出了一种基于分数阶积分滑模与双幂次趋近律的姿态跟踪控制方案.结合分数阶微积分及滑模变结构控制理论,设计了分数阶积分滑模面.为解决传统趋近律收敛时间长和抖振严重等不足,提出一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律.在名义控制律的基础上,设计super twisting滑模干扰观测器,实现对复合干扰的估计和补偿,增强内外环控制器应对复合干扰的鲁棒性.为充分利用冗余操纵面与解决非线性舵效问题,在飞行控制系统中引入了非线性控制分配环节.仿真结果验证了所提方案的有效性.     

空间系绳系统展开的滑模变结构控制

为了增强空间系绳系统展开过程的抗干扰性,本文提出了空间系绳系统展开运动轨迹跟踪的滑模变结构控制方法.考虑大气摄动和无模型摄动建立了空间系绳系统展开运动动力学模型.基于遗传算法,针对两阶段展开方式,采用最优振荡阻尼张力控制律和等分时张力控制律设计了展开运动标称轨迹.为了实现轨迹的鲁棒跟踪,采用考虑展开长度的等效控制和连续函数幂次趋近律切换控制设计了滑模变结构控制器.仿真结果表明,所提出的控制方法有效增强了空间系绳系统展开运动的动态性能及鲁棒性.     

小卫星编队飞行姿态协同控制及仿真

针对具体的对地定向三星编队成像高度计的姿态协同控制问题,基于四元素方法进行了姿态控制系统设计和数字仿真研究.首先定义了坐标系及姿态误差变量.接着设计了一种非线性姿态跟踪控制器,并运用Lyapunov稳定性理论证明了该控制律的全局稳定性.最后通过基于Matlab的数值仿真和基于STK的可视化,进一步验证了该控制律的稳定性和有效性.数值仿真结果表明利用这种方法可以保证编队中的从星时刻跟踪目标姿态.也就是能够实现合成孔径干涉测量的任务目标.     

一种基于自适应2阶终端滑模控制算法的理论和实验研究

针对一类非线性多变量被控对象的控制问题,设计了一种基于自适应2阶终端滑模的自主控制方法．与传统滑模控制方法相比,该控制方案保留了其结构简单、鲁棒性强的优点,并有效削弱了传统滑模控制引发的抖振问题．利用基于李亚普诺夫的分析方法进行闭环系统的稳定性分析,确保了闭环系统的稳定性以及控制误差有限时间收敛．通过在3自由度控制实验平台上进行姿态镇定和跟踪实验,表明本文所提出的控制方法具有良好的姿态控制效果.