含边界层的机械臂分数阶滑模控制

针对含扰动的机械臂系统,在经典滑模控制基础上引入分数阶微积分构造分数阶滑模面,同时在趋近律中设置边界层,用饱和函数替代符号函数以削弱滑模面的抖振现象,从而获得一种含边界层的机械臂分数阶滑模控制,并通过李雅普诺夫直接法证明其收敛性.算例以两自由度机械臂系统为被控对象,仿真结果表明,相比于经典的滑模控制,含边界层的机械臂分...     

基于微粒群算法的模糊滑模控制

针对一类非线性控制系统,提出一种新的基于微粒群算法的模糊滑模控制方法。将模糊控制和滑模控制相结合,利用滑模控制使系统的跟踪误差进入给定的边界层内,启用模糊控制取代切换控制;同时为保证模糊滑模控制系统的全局稳定性,加入监督控制以柔化控制输入;最后基于微粒群算法对滑模面系数和不均匀隶属度函数因子寻优,不仅加快了系统到达滑模面的速度,减小了误差,而且有效地消除了高频抖振。仿真结果表明了该方法的有效性。     

固体氧化物燃料电池气体供应系统的自适应滑模控制

本文针对固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）中的气体供应系统展开自适应滑模控制研究,实现氢气与氧气的分压恒定且相等来保护电解质不受损伤,从而达到延长电池寿命、保护电堆、稳定输出电压的目的。建立了考虑系统内部参数摄动与外部不确定干扰等因素的SOFCs气体分压动态模型,并针对该模型中干扰上界未知的情况设计了自适应滑模控制器。将遗忘因子和修正算法引入对干扰上界的估计中,解决了传统自适应滑模控制器中参数估计值恒增的问题。通过引入边界层,在控制律中用饱和函数替代符号函数以减小抖振。仿真结果表明,文中设计的自适应律在干扰上界存在较精确的先验信息时能够达到较好的控制效果,对干扰的抑制作用明显,加入边界层后系统抖振得到削弱。     

Complementary Sliding Mode Speed Control with Saturation Function Boundary Layer Optimization

饱和函数边界层参数优化的互补滑模速度控制

黄宴委，谢雨晴，黄文超

（福州大学 电气工程与自动化学院， 福州 350116）

摘要：

利用互补滑模实现永磁同步电机的速度调节，引入饱和函数来改进符号函数，以减少抖振现象。但是，饱和函数的引入会增加边界层厚度参数，而边界层厚度参数会影响系统的稳态性能，需要人为设置。针对边界层厚度参数优化问题，本文提出一种简便方法。首先构造一对互补滑模面，然后利用泰勒级数对互补滑模系统的稳态误差进行近似展开，可得到饱和函数边界层厚度参数与切换增益的关系，进而获得边界层参数优化值，无需对边界层参数进行人为设定。将基于饱和函数厚度参数优化的CSMC应用于永磁同步电机速度控制，实验结果表明所提出的CSMC方法能够获得最佳的速度精度。

关键词：互补滑模控制(CSMC)；饱和函数；边界层参数；泰勒级数；速度调节

     

基于差分进化电液伺服滑模控制研究

为提高电液伺服控制系统收敛速度与控制精度,采用差分进化算法对滑模控制中的滑模因子和收敛速率进行优化,将输入输出误差和控制输入作为优化指标,并在误差大于零时加入惩罚项,保证系统不会产生较大的超调。采用差分进化模块、滑模控制模块和评价函数三部分的仿真程序结构设计,设置个体拥有30个染色体,在Matlab/Simulink中对系统进行50次进化迭代。仿真结果表明,优化后的系统具有更快的收敛速度,位置跟踪精度更高,评价指标低至1.4672,具有较好的工程应用价值。     

四旋翼飞行器滑模控制的稳定性分析

研究了四旋翼垂直飞行器稳定姿态的控制问题.针对控制对象的典型欠驱动特征,提出了变结构滑模控制方案,有效实现了系统的鲁棒控制.设计滑模控制面后,基于Lyapunov方法证明了所提控制律的稳定性,保障了系统状态的有效收敛,进一步采用饱和函数法设计边界层厚度以降低开关控制切换时带来的抖振影响.仿真分析结果表明,所提滑模控制方案可实现四旋翼直升机的平稳姿态控制.     

锅炉-汽轮机系统的多变量滑模控制

针对一非线性锅炉 汽轮机系统,提出了一种多变量滑模控制器的设计方法。为克服滑模控制的抖振现象,采用了边界层的方法。通过对输出的重新定义,消除了内动态子系统,实现了全局的稳定性。仿真结果表明,设计的控制器具有很好的跟踪性和鲁棒性。     

风帆助航船舶自启发评价迭代滑模航向控制

针对风帆助航船舶运动模型具有时变非线性和受海洋环境扰动作用的特点,本文提出一种带自适应启发评价的模糊非线性迭代滑模航向控制方法。该方法采用双曲正切函数构造系统状态的迭代滑模函数,利用滑模面反馈设计控制增量,避免了对系统未知项和外界扰动的观测,并结合模糊系统对滑模控制参数进行优化,增强控制器的自适应性。通过定义一种控制舵角抖振观测变量与自适应启发评价函数,对所构建模糊系统的结构参数进行动态调节和优化,以进一步降低控制舵角的抖振作用。应用"文竹海"号散货船数学模型进行控制仿真,结果表明所设计控制器能有效地处理模型参数摄动和海洋环境扰动,控制性能良好,具有强鲁棒性。     

带输入饱和的欠驱动水面船参数自适应滑模控制

针对具有外部干扰和输入饱和的欠驱动水面船路径跟踪控制问题,本文提出一种基于饱和补偿辅助系统的参数自适应滑模控制方法。通过以路径上虚拟参考目标点为原点,引入Serrete-Frenet移动坐标系,在此基础上引入切向速度作为虚拟控制输入;结合饱和辅助系统设计具有切换增益和sigmoid函数边界层厚度的参数自适应滑模控制器。此外,利用李雅普诺夫理论证明了闭环系统的全局稳定性,保证跟踪误差收敛到零的任意小领域内。通过与常规滑模控制对比,数值仿真验证所提控制律的有效性和自适应性,不仅可以减弱常规滑模中的"抖振"现象,同时补偿外部干扰和输入饱和误差提高跟踪精度。     

单电磁铁悬浮系统的指数趋近律滑模控制

根据电磁场理论,给出了磁场力与气隙、电流之间的函数关系,建立了单电磁铁悬浮系统的二阶非线性状态方程。以电流为控制量,设计了一种滑模控制器。为了解决滑模控制在单电磁铁悬浮系统控制中的抖振问题,在滑模控制器中采用指数趋近律。该控制器不但能够保证悬浮系统的各个状态趋于设计值,而且能够保证抖振振幅值呈指数衰减。同时,基于Mat-lab软件,对悬浮系统进行建模仿真。仿真结果表明:该滑模控制系统具有良好的动态性能和较强的鲁棒性。     

飞机防滑刹车系统滑移率自适应滑模控制研究

针对含有参数不确定的非线性系统,提出了一种自适应滑模控制(ASMC)算法。根据飞机地面滑跑特性的受力分析,建立了飞机防滑刹车系统(ABS)的地面动力学模型;通过对飞机防滑刹车系统模型的非线性分析,针对非线性系统的不确定参数提出了以双极性sigmoid函数为趋近函数的滑模控制(SMC)算法,并针对切换增益和边界层设计了自适应控制算法以减小滑模控制的抖振现象;最后采用李雅普诺夫理论分析了设计的自适应滑模算法的敛散性。MATLAB仿真结果表明,自适应滑模控制算法相较于传统的滑模算法能在更短的时间内获取跑道的最大结合系数,达到最佳滑移率,缩短刹车时间。     

永磁同步电机调速系统分数阶微分滑模控制

受负载扰动及参数时变等因素影响,永磁同步电机调速系统的鲁棒性会变差,滑模控制对于系统的参数变化、模型不精确及外部扰动等因素不敏感,能够有效提高永磁同步电机控制系统的鲁棒性,但滑模控制实现过程中却存在抖振问题.为解决鲁棒性和抖振问题之间的矛盾,提出一种分数阶滑模控制方法,通过在分数阶滑模面的设计中使用分数阶饱和函数代替符号函数,更有效地消除滑模控制的抖振问题.仿真和实验表明:相较于传统的滑模控制,所提控制方法使得永磁同步电机调速系统具有更好的动态性能和抗负载扰动能力.     

基于分段幂次函数滑模观测器的 永磁同步电机速度控制

为了提高永磁同步电机的控制性能,解决传统滑模控制器中存在的抖振和响应速度慢等问题,提出一种采用分段幂次函数的新型滑模观测器。利用Lyapunov稳定判据对系统稳定性进行了证明,并在新型滑模观测器前设计了滑模速度控制器,最后与传统的PI控制器进行仿真比较。Matlab仿真和实验结果表明,新型滑模观测器结合滑模速度控制器的控制方法具有更强的鲁棒性和更快的收敛速度,在抑制系统抖振方面具有更优的性能,所得结果验证了所提出方法的有效性。     

具有模糊边界层的PMSM改进型滑模观测器设计

针对观测器中存在的固有抖振问题,选用斜率可变的双曲正切函数作为切换函数以削弱切换面抖振,并为此设计了一个模糊调节器,使其能根据系统抖振大小动态调节切换函数的斜率值以改变边界层厚度,很好地平衡了柔滑抖振和稳态误差之间的矛盾.另外,固定的滑模增益容易导致电机低速时抖振大,高速时位置转速估计不精准,在观测器满足李雅普诺夫稳定性的条件下,设计了基于转子角速度自适应调节的滑模增益,利用锁相环技术提取转子位置和速度信息提高了估算精度,削弱了计算噪声.仿真及实验结果表明,改进后的滑模观测器估计精度高、抖振小,在永磁同步电机的宽调速范围内,观测效果依然良好.     

带输入饱和的欠驱动水面船参数自适应滑模控制

针对具有外部干扰和输入饱和的欠驱动水面船路径跟踪控制问题,提出一种基于饱和补偿辅助系统的参数自适应滑模控制方法,无需确知不确定项的界。以路径上虚拟参考目标点为原点,引入Serrete-Frenet移动坐标系,在此基础上引入切向速度作为虚拟控制输入;然后结合饱和辅助系统设计具有切换增益和sigmoid函数边界层厚度的参数自适应滑模控制器。此外,李雅普诺夫理论证明了闭环系统的全局稳定性,保证跟踪误差收敛到零的任意小领域内。通过对比数值仿真验证所提控制律的有效性和自适应性,不仅可以减弱常规滑模中的“抖振”现象,同时补偿外部干扰和输入饱和误差提高跟踪精度。     

基于遗传算法优化的机器人非奇异终端滑模控制

六自由度并联机器人是一个强耦合、高度非线性的系统,针对此特性研究了非奇异终端滑模控制方法,为改善其运动品质,结合指数趋近律的思想,给出了系统的控制律。利用李雅普诺夫(Lyapunov)理论验证了存在建模误差和外部干扰时六自由度并联机器人控制系统的稳定性,确保了控制系统的鲁棒性。为了进一步减少滑模控制的抖振,提高系统收敛速度和跟踪性能,采用了遗传算法来优化非奇异滑模面和控制律的参数。仿真结果表明:提出的控制策略参数优化后能使机器人的轨迹跟踪稳态误差趋近于零、系统调整时间短、驱动器控制律平滑,达到了高性能的位姿控制。     

低抖振非奇异终端滑模控制

为了解决常规滑模控制中产生的抖振,同时利用终端滑模控制中快速收敛的优良特性,针对一类二阶仿射非线性系统,将非奇异终端滑动流形和终端到达律同时应用到滑模控制设计中,得到低抖振非奇异终端滑模控制,并证明其具有较强的鲁棒性.     

月球着陆舱在制动减速段的控制研究

分析了月球着陆舱在制动减速段对于控制的要求。以燃耗次优为出发点,求解得到无需进行迭代计算的期望姿态角计算公式,推导出仅与着陆舱的状态变量和终端约束相关的显式制导方案。基于滑模变结构控制方法,根据实际姿态角和期望姿态角的偏差,采用指数趋近律和边界层削抖的方法,设计了姿态跟踪系统,给出了姿控发动机的控制方案。仿真结果表明,该控制系统能够实现制动减速段的飞行目标,着陆舱经过514 s飞行后,在距月面2 km处将速度减为零,将姿态调整到垂直向下,较好地完成了飞行任务。     

多Euler-Lagrange系统抑制抖振分布式有限时间包含控制

为了抑制多Euler-Lagrange系统分布式包含控制时控制输出的抖振现象,且实现系统的有限时间收敛,对多EulerLagrange系统的抑制抖振分布式有限时间包含控制方法进行了研究.在系统存在模型不确定性与外界干扰的情形下,采用有限时间滑模控制方法,结合系统的模型特点,提出了分布式有限时间包含控制算法.首先,通过定义包含控制误差变量和选取合适的高阶有限时间滑模变量,设计了一种分布式有限时间包含控制律.为了实现控制器输出的抑制抖振特性,将符号函数项包含在控制律的导数中,经过积分后,可以得到连续的控制输出.针对系统存在的模型不确定性和外界干扰,设计了自适应估计律对其上界进行估计和补偿.基于图论和矩阵理论,利用Lyapunov方法证明了系统能够在有限时间内稳定,且模型不确定性和外界干扰的估计是有效的.最后,选取多机械臂系统作为模型进行了仿真验证.结果表明,所提控制算法对滑模控制中因不连续的切换项产生的抖振现象有很好的抑制作用,且系统可以在有限时间内实现收敛.     

带有指令滤波的板球系统反步滑模控制的研究

为解决滑模控制中出现的抖振现象影响板球系统轨迹跟踪控制性能的问题,提出了一种结合指令滤波的板球系统反步滑模控制方法。首先建立板球系统数学模型,根据系统误差方程设计总滑模控制规律。然后组建带有指令滤波的复合系统,设计误差反步控制器。最后利用Lyapunov理论证明了整个闭环系统的全局渐进稳定性。仿真结果表明,该方法有效的抑制抖振现象,进一步加强了抗干扰能力。