一种鲁棒的动力定位系统状态估计算法

状态估计在船舶动力定位控制系统中占有十分重要的地位,是该领域的研究热点问题之一。该文针对水面三自由度船舶动力定位控制的状态估计问题,利用滑模变结构控制对参数摄动完全自适应的特点,提出了一种滑模观测器的设计方法,基于三自由度船舶的低频和高频数学模型,根据速度观测误差构成滑模面对低频位置和速度进行估计,采用双曲正切函数作为切换函数,运用无源性理论和李雅普诺夫稳定性判据对观测器的稳定性进行了分析证明,基于频域分析方法确定观测器的增益矩阵。以一艘供给船为例对设计的滑模观测器进行了仿真分析,验证了观测器的有效性和鲁棒性。     

面向多源干扰的动力定位船舶精细抗干扰控制

针对动力定位船舶非线性模型以及多源干扰导致的定位不精确问题,考虑不同干扰的特点及其在非线性模型中的响应特性提出一种基于无源精细化扩张状态观测器的鲁棒自适应抗扰控制方法.首先,建立动力定位船舶数学模型和多源干扰模型,并根据系统模型设计无源精细化扩张状态观测器实时估计船舶状态及其所受的多源干扰;然后,在此基础上引入动态面控制技术,在控制律中设计鲁棒自适应项以补偿估计误差;最后,证明该闭环级联系统所有误差信号一致最终有界.对一艘动力定位船舶进行仿真实验,实验结果表明,该方法在干扰估计和状态估计方面均优于传统扩张状态观测器,验证了该控制方法的有效性.     

带有推进器故障的船舶动力定位系统的鲁棒滑模容错控制

由于海洋工作环境具有复杂性和不可预测性,船舶动力定位系统的可靠性一直备受关注.针对带有推进器故障的船舶动力定位系统的鲁棒容错控制问题展开研究.首先,建立更一般且统一的推进器故障模型,该模型能全面描述推进器失效、卡死、中断3种故障情形;然后,设计一种不依赖故障检测模块(FDI)和故障信息上下界的自适应滑模控制器, 其中自适应机制用于在线估计故障信息和未知外部扰动的上界,基于李雅普诺夫稳定性理论和滑模控制理论,所设计的自适应滑模控制器能保证船舶动力定位系统在有推进器故障发生和海洋环境外部有界扰动存在情况下的所有信号一致有界;最后,在一艘过驱动船舶模型上进行仿真,其结果验证了所设计方法的有效性.     

基于PSO优化的船舶动力定位观测器

观测器设计是船舶动力系统至关重要的一个环节,而观测器的参数选取是否合适对动力定位系统的性能将产生很大的影响。建立了船舶非线性无源观测器,为了快速获得精确的观测器参数,提出利用粒子群算法对观测器参数进行寻优,寻优过程中利用观测器的估计偏差作为粒子群的适应度函数。文章最后对参数优化的观测器进行了仿真验证,仿真结果表明优化后的观测器具有较小的估计偏差且能改善动力定位系统的性能。     

基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模 动态面输出反馈控制

针对三自由度全驱动船舶速度向量不可测问题,考虑船舶模型参数和外部环境扰动均未知的情况,提出一种基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模动态面输出反馈控制方法.该方法设计神经网络自适应观测器估计船舶速度向量,且利用神经网络逼近模型参数不确定项,综合考虑船舶位置和速度误差之间关系构造递归滑模面,再采用动态面控制技术设计轨迹跟踪控制律和参数自适应律,并引入低频增益学习方法消除外界扰动导致的高频振荡控制信号.选取李雅普诺夫函数证明了该控制律能够保证轨迹跟踪闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘供给船进行仿真验证,结果表明,船舶轨迹跟踪响应速度快,所设计控制器对系统模型参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性.     

自适应模糊滑模软切换的PMSM无速度传感器鲁棒无源控制

针对永磁同步电机(PMSM)转速调节和估计问题,提出一种无速度传感器的PMSM调速系统.利用双曲正切函数代替符号函数,设计了自适应模糊滑模软切换控制器,实现了软切换连续控制,削弱了抖动现象.通过设计鲁棒无源控制器,得到了旋转坐标系下的u_d和u_q.建立了自适应滑模观测器,并给出了速度辨识律,观测器的增益通过求解线性矩阵不等式得到.仿真结果表明了该控制策略与观测器配合的有效性,且控制系统具有良好的动、稳态性能.     

动力定位的分数阶双环自适应终端滑模控制

为了解决具有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统的控制问题,本文提出了一种基于分数阶双环自适应快速终端滑模控制算法,证明了闭环系统的稳定性,设计了自适应控制律,计算了滑模的收敛时间。控制系统由外环位置姿态环和内环速度环构成,外环滑模控制实现自动定位于期望位置和姿态,内环滑模控制实现对速度和角速度的定位。通过切换函数的设计,对不确定性和外加干扰具有较强的鲁棒性,避免系统出现抖振现象。对双环滑模控制器进行仿真,计算出动力定位外界环境扰动的变速运动情况下的前进位置、横荡位置、艏向角度、前进速度、横荡速度、艏向角速度、前进控制力、横荡控制力和艏向控制力矩等。对外环控制率增益λ2等参数对控制性能的影响进行了比较分析。结果表明,分数阶双环自适应终端滑模控制动态响应要稍快于传统双环控制,且超调量小,调整时间更短,所设计的控制器对有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统都具有较强的鲁棒性。本算法为不确定性系统的变结构控制提供了新的解决方案,扩展了滑模控制算法的应用领域。     

基于滑模模型参考自适应观测器的无速度传感器三相永磁同步电机模型预测转矩控制

针对三相永磁同步电机(PMSM)驱动系统,基于滑模变结构模型参考自适应(MRAS)技术,提出了一种新颖的无速度传感器模型预测转矩控制(MPTC)策略.采用滑模变结构模型参考自适应方法构造电机转速观测器,以改善速度估计精度并提高系统鲁棒性;利用模型预测转矩控制策略,以达到减小转矩和磁链纹波并提高系统控制性能的目的.仿真结果表明:就滑模MRAS观测器与MRAS观测器比较而言,基于前者的PMSM无速度传感器MPTC系统比基于后者的PMSM无速度传感器MPTC系统具有较强的鲁棒性和更好的动态性能;就MPTC与直接转矩控制(DTC)和磁场定向控制(FOC)比较而言,采用前者策略的无速度传感器电机驱动系统能够降低逆变器开关频率、减少相电流总谐波失真(THD),从而提高系统可靠性.     

船舶动力定位系统的精细抗干扰控制

船舶在航行过程中不可避免地受到海平面上多种干扰的影响.动力定位(DP)是一种船舶在受到外界干扰的情形下依然能够保持在一定位置或沿固定轨迹航行的技术.与传统的锚定位方法相比,DP技术具有机动性强、可深海作业、定位精度高等优点.针对带有慢变环境干扰和复杂非线性项的船舶动力定位系统,研究其精细抗干扰控制问题.首先,利用模糊逻辑系统逼近船舶动力定位系统中的复杂非线性项.其次,通过构造自适应干扰观测器(ADO)来估计部分信息已知的慢变环境干扰.在此基础上,将基于干扰观测的控制(DOBC)与模糊控制算法相结合,提出基于复合分层抗干扰控制框架的精细抗干扰控制(EADC)策略,从而实现船舶动力定位系统的高精度抗干扰控制.最后,基于供给船模型的仿真研究验证所提控制策略的有效性.     

基于高增益观测器的船舶动力定位系统的输出反馈控制

针对动力定位船舶的速度向量不可测的问题, 考虑外部环境扰动, 将高增益观测器、动态面控制技术和矢量backstepping方法相结合, 设计仅依赖于船舶位置和艏摇角测量值的船舶动力定位系统输出反馈控制律. 动态面控制技术的引入, 使控制律结构简单, 易于工程实现. 应用Lyapunov函数证明了所设计的控制律能迫使船舶的位置和艏摇角收敛于期望值, 并保证船舶动力定位输出反馈闭环系统所有信号均一致最终有界. 基于一艘供给船的仿真研究验证了所设计的基于高增益观测器的船舶动力定位输出反馈控制律的有效性.     

永磁同步电机伺服系统的自适应模糊滑模控制

针对永磁同步电机伺服系统的跟踪控制问题,提出了一种基于扰动观测器的自适应模糊滑模控制方法.通过扰动观测器估计等效扰动,改善了系统的动态性能和稳态性能,并且只需要等效扰动的变化有界,而不是为零,放宽了要求;根据模糊控制原理引入3条模糊规则,在保证滑模条件的前提下有效地削弱了抖振;采用自适应策略估计模糊系统参数的最优值,简化了控制器的设计.实验结果表明,与常规自适应模糊滑模控制相比,本文提出的控制方法不仅能够有效地减小跟踪误差,而且能够改善参数估计过程,保证了参数估计的有界性.     

基于改进型滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制

永磁同步电机无位置传感器控制技术通常使用滑模观测器观测反电动势,进而获取转子位置和速度信息.为提升滑模观测器的性能,本文设计了一种改进型自适应超螺旋滑模观测器.首先,文章在超螺旋滑模观测器结构中增加观测误差的线性项,以提高观测器的动态性能.接着,为解决观测器增益在不同速域下参数不匹配的问题,本文提出一种观测器参数自适应调整策略,提升了观测器参数鲁棒性.在此基础上,采用同步参考系滤波器滤除输出信号的高次谐波,进一步提高观测精度.最后,仿真结果表明,与传统方法相比,本文提出的方法观测性能更好,鲁棒性更强.     

基于自适应滑模观测器的不匹配非线性系统执行器故障重构

针对一类含有未知干扰的不匹配非线性Lipschitz系统,提出了基于自适应滑模观测器的执行器故障重构方法.首先引入辅助输出矩阵,使得辅助输出系统的观测器匹配条件得以满足,同时设计了高增益观测器实现对未知辅助输出的精确估计;然后针对辅助输出系统建立故障重构滑模观测器,设计了自适应律在线修正滑模控制器增益,考虑故障上界未知的前提下,提出了观测器状态估计误差稳定的存在定理,运用Schur补引理将观测器反馈增益矩阵设计方法转化为求解线性矩阵不等式约束优化问题,同时引入线性变换矩阵,在故障上界未知的前提下设计了滑模控制增益,使得输出估计误差收敛稳定,确保了滑模运动在有限时间内发生,在此基础上利用等效控制输出误差注入原理实现了执行器故障重构;最后通过仿真算例验证了本文方法的有效性.     

基于滑模观测器的汽车轮胎力级联估计方法

提出了一种新型的基于滑模观测器理论的汽车轮胎力级联估计方法．首先基于单轮滚动动力学模型,以车轮转动角速度及驱动力矩作为输入,针对每个车轮的纵向轮胎力设计了纵向轮胎力滑模观测器．又采用了简化的车辆2自由度模型,以纵向轮胎力估计值、 前轮转角、 侧向加速度及横摆角速度作为输入,分别设计了前、 后轴侧向轮胎力滑模观测器．最后,为验证所设计的观测器的有效性,应用高保真车辆动力学软件veDYNA进行了仿真研究,并与扩展卡尔曼滤波（extendedKalman filter,EKF）方法进行了对比分析．实验结果表明,基于滑模观测器的车辆轮胎力级联估计方法具有更高的准确性．     

基于滑模与自适应观测器的感应电机非线性控制新策略

提出一种结合滑模变结构和自适应观测技术的感应电机非线性控制新方法. 以定子电流与定子磁链为状态变量建立感应电机模型, 采用非线性分析方法建立转矩与磁链误差方程, 使用自适应滑模技术设计转矩与磁链控制器, 推导出定子电压控制量. 基于模型参考技术设计自适应观测器, 向控制器提供准确的转速辨识与磁链观测值,并给出了控制系统的稳定性证明. 该方法具有转矩脉动小、定子磁链畸变不明显的优点, 低速时也具有良好的控制性能, 且对参数与负载变化有较强的鲁棒性. 仿真与实验结果证明了该控制策略的正确性与有效性.     

基于非线性增益递归滑模的船舶轨迹跟踪动态面自适应控制

针对三自由度全驱动船舶存在模型不确定和未知外部环境扰动的情况,设计出一种基于非线性增益递归滑模的船舶轨迹跟踪动态面自适应神经网络控制方法.该方法综合考虑船舶位置和速度误差之间关系设计递归滑模面,引入神经网络对船舶模型不确定部分进行逼近,设计带σ-修正泄露项的自适应律对神经网络逼近误差与外界环境扰动总和的界进行估计,并应用一种非线性增益函数构造动态面控制律,选取李雅普诺夫函数证明了该控制律能够保证轨迹跟踪闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘供给船进行仿真验证,结果表明,船舶轨迹跟踪响应速度快、精度高,所设计控制器对系统模型参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性.     

Estimation of vehicle sideslip, tire force and wheel cornering stiffness

This paper presents a process for the estimation of tire–road forces, vehicle sideslip angle and wheel cornering stiffness. The method uses measurements (yaw rate, longitudinal/lateral accelerations, steering angle and angular wheel velocities) only from sensors which can be integrated or have already been integrated in modern cars. The estimation process is based on two blocks in series: the first block contains a sliding-mode observer whose principal role is to calculate tire–road forces, while in the second block an extended Kalman filter estimates sideslip angle and cornering stiffness. More specifically, this study proposes an adaptive tire-force model that takes variations in road friction into account. The paper also presents a study of convergence for the sliding-mode observer. The estimation process was applied and compared to real experimental data, in particular wheel force measurements. The vehicle mass is assumed to be known. Experimental results show the accuracy and potential of the estimation process.     

永磁同步电动机新型滑模观测器无传感器控制

由于传统滑模观测器算法存在固有抖振, 根据永磁同步电动机的数学模型, 设计了一种新的滑动模态观测器转子位置自检测控制算法; 切换函数采用饱和函数代替开关函数; 选择合适的边界层厚度以削弱抖振; 将反电动势估算值反馈到定子电流的观测计算中, 通过选择合适的反馈值来提高低速时转子位置角的估算精度和高速时系统的稳定性. 为了简化驱动系统的硬件结构以提高滤波效果, 设计了一个截止频率可随转子转速变化的低通滤波器对延迟进行补偿. 以1台表面式永磁同步电动机为对象进行实验, 实验结果表明, 这种新型滑模观测器对电机参