基于分数阶微积分的机械臂迭代滑模控制策略研究

为提高工业机械臂的控制性能,将分数阶微积分理论与迭代学习控制及滑模控制相结合,提出一种有效的分数阶迭代滑模控制策略.在控制器的设计过程中,分别采用分数阶趋近律与分数阶滑模控制律两种方法将分数阶微积分引入到迭代滑模控制中,提出分数阶迭代滑模控制策略.并使用李雅普诺夫理论分析系统的稳定性.然后以一个两关节机械臂为例,通过MATLAB仿真对所提出的控制策略进行了验证.实验表明:分数阶迭代滑模控制策略可以有效提高关节的跟踪速度和跟踪精度,减小跟踪误差,具有较强的鲁棒性,并有效地抑制了滑模控制的抖振现象.     

基于分数阶微积分的机械臂迭代滑模控制策略研究（英文）

为提高工业机械臂的控制性能,将分数阶微积分理论与迭代学习控制及滑模控制相结合,提出一种有效的分数阶迭代滑模控制策略。在控制器的设计过程中,分别采用分数阶趋近律与分数阶滑模控制律两种方法将分数阶微积分引入到迭代滑模控制中,提出分数阶迭代滑模控制策略。并使用李雅普诺夫理论分析系统的稳定性。然后以一个两关节机械臂为例,通过MATLAB仿真对所提出的控制策略进行了验证。实验表明:分数阶迭代滑模控制策略可以有效提高关节的跟踪速度和跟踪精度,减小跟踪误差,具有较强的鲁棒性,并有效地抑制了滑模控制的抖振现象。     

机械臂的分数阶交叉耦合同步策略研究

为了对机械臂各关节间进行高精度同步控制,以提高运动轨迹跟踪精度,针对机械臂单关节,提出了分数阶微积分与滑模控制相结合的位置跟踪控制策略,考虑机械臂各关节之间存在的耦合关系,提出了分数阶滑模交叉耦合控制策略。并对所提的控制策略的渐进稳定性进行了理论证明。以二关节机械臂为研究对象进行了实验验证,结果表明:利用本文提出的位置跟踪控制策略使二关节机械臂角位移调整时间分别为0.53 s、0.58 s,优于传统滑模控制策略的1.31 s、1.24 s,其位置误差的均方根误差相比传统滑模控制策略分别减小了1.6×10-4、6.51×10-4。本文所设计的分数阶滑模交叉耦合控制器使机械臂得到的输出响应的上升时间和稳定时间优于PD交叉耦合控制策略和滑模交叉耦合控制策略,且同步误差的均方根误差分别为0.022 5、0.031 6,优于PD交叉耦合的0.133、0.926和滑模交叉耦合的0.057 3、0.052 3。实验结果说明了本文所提出控制方法的有效性。     

非奇异快速终端滑模的分数阶迭代学习控制策略研究

针对传统迭代学习控制所存在的鲁棒性差的问题以及传统滑模控制收敛速度慢与奇异性的问题,利用分数阶微积分理论、迭代学习控制以及滑模控制算法,提出一种非奇异快速终端滑模的分数阶迭代学习控制策略。在控制器的设计过程中,首先,对于迭代学习控制鲁棒性差的问题,设计了PD~α型分数阶迭代学习控制策略;其次,对于传统滑模控制收敛速度慢和奇异性的问题,设计了奇异快速终端滑模控制。最后,利用李雅普诺夫函数进行了稳定性证明,并通过仿真实验得出结论：与传统迭代学习控制以及滑模控制相比,所设计的控制策略在一定程度上提高了系统的鲁棒性,加快了系统收敛速度,具有更好的收敛速度和精度。     

多关节机械臂的分数阶滑模变结构神经网络自适应控制

在分数阶滑模控制方法的基础,设计了新型的滑模函数趋近律,提升了多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的鲁棒性和响应速度.机械臂在建模过程中存在多种建模误差,工作过程中存在外界干扰等不确定因素,因此采用神经网络对各种不确定项进行逼近,对径向基函数神经网络自适应控制中存在的误差,提出了神经网络误差的自适应补偿项,减小了径向基函数神经...     

多关节机械臂的高阶滑模神经网络自适应控制

本文针对多关节机械臂提出了 一种高阶滑模神经网络自适应控制策略.在机械臂的动力学方程的基础之上,设置了滑模面,并对该滑模面求二阶导数,利用高阶滑模控制理论设计了机械臂的控制方案;高阶滑模控制分两步实施,针对标称系统采用了齐次连续控制项,对系统中存在外部干扰的情况添加了补偿项,并对系统中存在的不确定性采用RBF神经网络进行逼近.最后,应用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性,并通过MATLAB/Simulink仿真与传统滑模控制比较,表明了该控制算法有效地提高了轨迹的跟踪速度和精度,降低了系统中存在的抖颤.     

基于迭代学习的工业机械臂抗干扰控制方法

为了克服工业机械臂的未知负载力矩和摩擦等干扰因素的影响，采用迭代学习算法设计了滑模控制律。首先建立了工业机械臂数学模型，然后设计了二阶非奇异快速终端滑模面，同时提出了滑模控制律，最后利用迭代学习方法来改善滑模控制律的抖振现象，并进行了收敛性分析。仿真结果表明：设计的基于迭代学习的滑模控制律能够有效消除各种干扰因素的影响，实现对工业机械臂运动轨迹的精确控制，最大跟踪误差仅为0.3mm，在实测验证中的最大跟踪误差也仅为0.17mm，平均运行时长仅为1.73s，大幅提升了对工业机械臂的控制精准度。     

机械臂的改进固定时间滑模控制方法设计

当机械臂末端对给定轨迹进行跟踪控制时,跟踪误差收敛速度容易受初始跟踪误差大小的影响,针对这一问题设计了一种适用于机械臂模型的改进固定时间滑模轨迹跟踪控制策略.在快速终端滑模面的基础上,设计了一种固定时间滑模面,从而使得控制器具有固定时间收敛特性并给与证明;针对滑模控制伴随抖震的特性,对滑模控制器的趋近律进行了抑制抖振的改进,使得趋近律具有一定的自适应性.通过对二自由度机械臂的仿真实验,验证了在系统含有未知扰动的情况下,设计的改进固定时间滑模控制器能够在固定时间内使得机械臂末端轨迹跟踪误差快速收敛,且通过控制器参数的调整能够达到更快的收敛速率.通过仿真对比,验证了论文设计方法的收敛速率要快于快速终端滑模控制方法.     

模糊分数阶滑模控制的BLDCM控制系统

针对整数阶滑模控制在无刷直流电机系统中容易引起的抖振现象,以及无刷直流电机系统的非线性、实时性,设计一种模糊分数阶滑模控制器。在整数阶滑模控制器的基础上,在滑模切换函数中加入分数阶微积分算子,结合系统二阶状态方程和指数趋近律,设计了分数阶滑模控制器,并且通过Lyapunov稳定性原理和分数阶微积分理论证明了系统的稳定性。仿真及试验的结果表明,对比传统的整数阶滑模控制,所提方法可以有效减弱无刷直流电机系统的抖振,具有更好的动静态控制性能。     

多关节移动机械臂系统的快速终端滑模控制

为了实现多关节移动机械臂系统在机械摩擦和模型误差等干扰下的精确控制,提出了快速终端滑模控制方法.首先建立了移动机械臂系统动力学和运动学模型,然后设计了运动环控制律,并将移动机械臂系统的运动指令转换为动力指令,最后针对动力环设计了快速终端滑模控制律,并通过自适应神经网络进行干扰估计,实现了对多关节移动机械臂系统的精确控制.仿真实验结果表明,提出的方法具有更好的快速性和准确性,移动平台的最大跟踪误差仅为0.8 cm,关节末端的最大跟踪误差仅为0.3 cm,干扰估计的最大误差为0.2 N·m,控制效果和精度均得到了明显的提升.     

Optimal adaptive interval type-2 fuzzy fractional-order backstepping sliding mode control method for some classes of nonlinear systems

In this research, a novel adaptive interval type-2 fuzzy fractional-order backstepping sliding mode control (AIT2FFOBSMC) method is presented for some classes of nonlinear fully-actuated and under-actuated mechanical systems with uncertainty. The AIT2FFOBSMC method exploits the advantages of backstepping and sliding mode methods to improve the performance of closed-loop control systems by lowering the tracking error and increasing robustness. To mitigate chattering and the tracking error, a fractional sliding surface is designed. In addition to the fractional sliding surface, an adaptive interval type-2 fuzzy compensator is used to estimate the uncertainty and perturbation of the nonlinear system in order to further reduce chattering caused by switching term as well as to enhance the perturbation rejection. In order to achieve an optimal performance, the multi-tracker optimization algorithm (MTOA) is used. Finally, a number of simulations and experimental tests are carried out to examine the performance of the AIT2FFOBSMC method.     

A new fractional-order sliding mode controller via a nonlinear disturbance observer for a class of dynamical systems with mismatched disturbances

This paper investigates the stabilization and disturbance rejection for a class of fractional-order nonlinear dynamical systems with mismatched disturbances. To fulfill this purpose a new fractional-order sliding mode control (FOSMC) based on a nonlinear disturbance observer is proposed. In order to design the suitable fractional-order sliding mode controller, a proper switching surface is introduced. Afterward, by using the sliding mode theory and Lyapunov stability theory, a robust fractional-order control law via a nonlinear disturbance observer is proposed to assure the existence of the sliding motion in finite time. The proposed fractional-order sliding mode controller exposes better control performance, ensures fast and robust stability of the closed-loop system, eliminates the disturbances and diminishes the chattering problem. Finally, the effectiveness of the proposed fractional-order controller is depicted via numerical simulation results of practical example and is compared with some other controllers.     

机械臂任务空间鲁棒Terminal滑模控制

不确定性和外部干扰是制约机器人控制精度的主要因素,传统Terminal滑模控制方法未能考虑机械臂运动学不确定性。提出一种新的机械臂任务空间鲁棒连续非奇异Terminal滑模跟踪控制方法。该方法具有较强的鲁棒性,能够有效克服运动学不确定性、动力学不确定性和外部干扰,保证机械臂任务空间跟踪误差有限时间稳定,将现有机械臂Terminal滑模控制方法从关节空间扩展到任务空间。通过模型转换,同时考虑机械臂运动学不确定性和动力学模型不确定性。使用矢量和矩阵范数定义,给出系统不确定性的界定方法。运用Lyapunov再设计方法和有界稳定理论,分析系统稳定性,明确给出系统调节时间和跟踪误差剩余集的估计方法。仿真中,通过与现有机械臂关节空间Terminal滑模跟踪控制方法比较,验证了所提方法的有效性。     

机械臂滑模控制算法研究

针对机械臂轨迹跟踪控制中传统滑模控制需估计其建模误差及外界干扰等不确定性,当建模不确定性及外界干扰较大较复杂时,将会导致出现抖振现象。该文在以传统滑模控制为主控制器的基础上,通过对传统干扰观测器进行改进,对外界干扰进行反馈补偿,同时利用神经网络对其建模误差进行逼近。通过机械手仿真实验结果表明,所提方法能够有效抑制系统抖振现象,提高响应速度及其轨迹跟踪精度。     

随机振动机械臂的自适应鲁棒滑模控制

为了解决存在外部不确定随机干扰情况下机械臂的高精度轨迹跟踪问题,提出了一种自适应鲁棒滑模控制方法,并用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的稳定性。采用饱和函数取代控制器中的符号函数,有效消除了控制器的抖振现象。仿真结果证明：与传统的PID控制器相比,提出的自适应鲁棒滑模控制器具有更高的鲁棒性、稳定性和精度。     

An enhanced tracking control of marine surface vessels based on adaptive integral sliding mode control and disturbance observer

In this paper, a new control methodology is developed to enhance the tracking performance of fully actuated surface vessels based on an integrating between an adaptive integral sliding mode control (AISMC) and a disturbance observer (DO). First, an integral sliding mode control (ISMC), in which the backstepping control technique is used as the nominal controller, is designed for the system. The major features, i.e., benefits and drawbacks, of the ISMC are discussed thoroughly. Then, to enhance the tracking performance of the system, an adaptive technique and a new disturbance observer based on sliding mode technique are developed and integrated into the ISMC. The stability of the closed-loop system is proved based on Lyapunov criteria. Computer simulation is performed to illustrate the tracking performance of the proposed controller and compare with the existing controllers for the tracking control of a surface vessel. The simulation results demonstrate the superior performance of the proposed strategy.     

Robust fractional order sliding mode control of doubly-fed induction generator (DFIG)-based wind turbines

Wind power plants have nonlinear dynamics and contain many uncertainties such as unknown nonlinear disturbances and parameter uncertainties. Thus, it is a difficult task to design a robust reliable controller for this system. This paper proposes a novel robust fractional-order sliding mode (FOSM) controller for maximum power point tracking (MPPT) control of doubly fed induction generator (DFIG)-based wind energy conversion system. In order to enhance the robustness of the control system, uncertainties and disturbances are estimated using a fractional order uncertainty estimator. In the proposed method a continuous control strategy is developed to achieve the chattering free fractional order sliding-mode control, and also no knowledge of the uncertainties and disturbances or their bound is assumed. The boundedness and convergence properties of the closed-loop signals are proven using Lyapunov׳s stability theory. Simulation results in the presence of various uncertainties were carried out to evaluate the effectiveness and robustness of the proposed control scheme.     

An Integral Sliding Model Tracking Strategy for 3D Laser Beam Position Control

This paper discusses how to improve the tracking precision of a laser beam positioning system by using a new sliding model tracking strategy. A continuous strategy of integral sliding mode control is proposed in order to achieve high-accuracy and high robustness of position tracking control. Modelling deviation and unmeasurable external disturbance is compen-sated for by an integral action term. This scheme can solve the chattering problem without loss of robustness and controaccuracy. The simulation and experimental results show that a laser beam position control system with the integrated sliding mode control (ISMC) has higher robustness, higher global stability, higher tracking precision, and speed than a traditional controller.