基于双观测器的机器人自适应摩擦补偿控制

针对机器人系统中存在关节摩擦的问题,提出一种基于终端滑模观测器和摩擦状态观测器的双观测器自适应摩擦补偿反演控制方案:为避免速度测量带来的噪声影响,设计终端滑模观测器对机器人的速度进行估计;考虑到摩擦力无法直接获取,采用连续LuGre摩擦模型,设计摩擦状态观测器和摩擦参数自适应律,得到摩擦的估计值;结合摩擦估计值设计反演控制器,使机器人在受到关节摩擦影响的情况下能有效跟踪期望位置轨迹。最后通过Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性以及机器人轨迹跟踪误差的收敛性,并通过MATLAB仿真验证该控制方案的有效性。仿真结果表明,该控制方法能有效抑制关节摩擦对机器人轨迹跟踪的影响,提高了系统的位置跟踪精度。     

基于摩擦补偿的柔性关节机器人分级滑模控制

针对柔性关节机器人中存在的非线性摩擦问题,提出一种基于摩擦补偿的柔性关节机器人分级滑模控制方法。首先,通过线性化参数的方法对柔性关节机器人受到的摩擦进行建模,并对模型中未知参数设计自适应律以实现摩擦的估计;然后,针对摩擦模型的误差,进一步设计观测器进行估计,结合摩擦的自适应和模型误差估计实现对摩擦的补偿;最后,利用电机侧和关节侧的位置误差和速度误差设计一级滑模面,再根据一级滑模面设计二级滑模面,从而得到分级滑模控制器,进一步实现柔性关节机器人的位置轨迹跟踪控制。通过Lyapunov函数证明了机器人关节轨迹跟踪误差的收敛性。仿真结果表明：该控制方法结合参数自适应和模型误差观测器可以有效地对摩擦进行补偿,在有限时间内实现柔性关节机器人的位置轨迹对期望位置轨迹的跟踪。     

自抗扰技术在动力翼伞轨迹跟踪控制中的应用

为了降低动力翼伞系统的非线性特性和风场干扰对轨迹跟踪控制的影响,设计基于自抗扰控制技术的轨迹跟踪控制器.根据动力翼伞系统的特性,将动力翼伞系统的轨迹跟踪控制分为水平轨迹控制通道和垂直高度控制通道,分别设计线性扩张状态观测器(LESO)对系统非线性扰动和外部干扰进行估计和补偿.采用零阶保持器法对线性扩张状态观测器进行离散化,提高线性扩张状态观测器对系统状态的估计效果.仿真结果表明,动力翼伞系统的线性自抗扰轨迹跟踪控制器能够克服风场的影响,达到水平方向和竖直方向的轨迹跟踪控制要求,控制效果优于广义预测控制器.     

基于速度观测器的移动机器人轨迹跟踪控制

提出了一种无需纵向速度测量的新的移动机器人轨迹跟踪控制方法,可以采用速度观测器替代纵向测量装置来确定移动机器人的运动速度.设计了一种基于速度观测器的轨迹跟踪控制器.控制器设计是以轮式及履带式移动机器人模型及其所采用的驱动电机数学模型为基础,具有两种实用性能：（1）控制器不需要很精确的移动机器人模型参数和驱动电机参数,就可以很好地在一个闭环控制系统中减小跟踪误差;（2）在理论上仅需要通过一个设计参数的设置就能够有效地控制跟踪误差范围.     

基于PD方法的不确定机器人神经网络变结构控制

针对不确定机器人轨迹跟踪控制,提出基于PD方法自适应神经网络变结构控制律,利用RBF神经网络补偿系统参数不确定性,用滑模变结构控制器消除神经网络的逼近误差.仿真结果表明,该控制律能保证轨迹跟踪误差的快速收敛性及对参数不确定性和外部扰动的鲁棒性.     

考虑万向轮扭转角扰动轮式移动机器人轨迹跟踪

为了研究轮式移动机器人运动过程中万向轮扭转的扰动对其轨迹跟踪的影响,提出了一种考虑前端万向轮摩擦扰动及其质心与几何中心不重合的轨迹跟踪控制方法。首先,建立了考虑万向轮扭转角扰动的轮式移动机器人动力学模型;其次,根据位姿误差模型,采用反步法设计虚拟速度控制器收敛系统位姿误差;然后,结合扰动观测器对机器人行进过程中万向轮扭转所带来的摩擦扰动进行估计,构造出一种基于积分滑模思想的力矩控制器以保证速度追踪;最后,利用Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性和渐近收敛进行证明。仿真及实验结果表明,将万向轮摩擦所带来的扰动反馈给动力学控制器,可以减轻控制器的负载。与忽略万向轮扰动的控制方法相比,轮式移动机器人的位置误差最大值的均方根值降低了37.37%,提高了运动系统的稳定性。     

基于动态反馈的AUV水平面路径跟踪控制

针对离散自治水下机器人水平面的路径跟踪控制问题,利用水下机器人的位置和姿态角量测信息,提出神经网络自适应输出反馈控制器.所设计的控制器包括3部分,镇定水下机器人动态系统线性部分的动态反馈控制器;神经网络控制器,用来补偿水下机器人受到环境干扰引起的水动力系数变化的不确定非线性结构;补偿环境扰动和神经网络带来的重构误差的鲁棒控制器.基于离散非线性系统理论,对水下机器人水平面跟踪误差系统进行分析,得到系统的跟踪误差最终一致有界.所提出的控制方法具有对模型精确度要求低的优点,利用INFANTE水下机器人模型进行仿真分析验证了提出的控制算法的有效性.     

基于H∞理论的滚珠丝杠进给系统滑模控制

针对滚珠丝杠进给系统的动态特性,建立参数不确定的数学模型. 为了消除参数不确定的影响,设计满足H∞性能的积分滑模控制器. 针对存在的未知干扰,设计指数干扰观测器进行补偿. 分析结果表明,本研究的控制方法具有L₂增益性能. 利用该方法在滚珠丝杠实验台上进行轨迹跟踪实验. 实验结果表明,当使用设计的控制器时,最大跟踪误差为16.85 μm;当使用设计的控制器加上指数干扰观测器时,最大跟踪误差为10.18 μm;在工作台增加25 kg质量块后,当使用设计的控制器加上干扰观测器时,最大跟踪误差为15.61 μm. 实验结果说明所设计的控制器具有较好的性能,并且干扰观测器能够提高控制精度. 与传统的比例-比例积分控制器的对比结果说明本研究的控制方法有较好的综合性能.     

基于实时位置补偿直接驱动XY平台轮廓控制

永磁直线同步电机驱动XY平台系统在跟踪自由曲线时轮廓精度会受轨迹时变性的影响,系统中存在的周期性扰动也会降低轮廓加工精度.针对上述问题,采用适用于多轴非线性轮廓控制的实时轮廓误差计算算法,建立可用于自由曲线跟踪的XY平台的实时轮廓误差模型.利用实时位置补偿与交叉耦合控制相结合的控制方法减小轮廓误差.单轴系统采用IP积分-比例控制与速度前馈控制相结合的复合控制器.理论推导与仿真结果表明,该方案能够有效地提高系统的轮廓精度,同时能较好地抑制系统周期性扰动的影响.     

水下运载器多变量鲁棒输出反馈控制方法

针对存在较大参数不确定性和仅具有位置、姿态测量的水下运载器的六自由度位姿控制难题,提出一种基于自适应平滑增益滑模观测器和多变量积分Backstepping控制器的非线性控制方法.解决水下运载器的鲁棒输出反馈控制问题,使用基于Lyapunov稳定性理论的设计方法保证观测器 控制器系统的稳定性.设计的自适应平滑增益滑模观测器,克服常规滑模观测器中所存在的高频颤振现象,从而获得较平滑的速度估计值.当存在模型不确定性和有界未知干扰时,可以保证速度估计误差以指数速率收敛至较小的球域内.设计的多变量积分Backstepping控制器,可以保证系统的跟踪误差同样收敛至较小的球域内.以浙江大学正在研制的海王号ROV六自由度控制为研究对象,使用所提出的控制方法与传统PID控制器进行对比仿真研究.仿真结果表明,当存在较大参数不确定性、较强未知外干扰和测量噪声时,所提出的控制方法具有较强的鲁棒性能,可以很好地跟踪参考轨迹,获得较好的动态性能和稳态控制精度.性能明显优于常规PID控制器,并且解决了PID控制器所存在的转艏角设定值不能大于90°的问题.     

Analysis on Biological Stability and Influencing Factors of Northern Living District Water Distribution System

多柔性连杆机械臂的自抗扰控制

刘延芳^1,2, 刘宏¹,孟瑶³

（1. 哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨 150001;

2.哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

3.上海宇航系统工程研究所,上海 201109）

创新点说明

将自抗扰控制应用到多柔性连杆机械臂的运动控制上。

研究目的

主要解决多柔性连杆机械臂的运动控制问题,在转角运动控制的同时,抑制柔性臂杆的振动。

研究方法

首先基于时标分离,将系统分解为快时标系统和慢时标系统：快时标系统为内环,采用最优二次型控制器,实现臂杆振动的快速抑制;慢时标系统为外环,采用自抗扰控制,抑制系统外界干扰、未建模动态等内外扰动,实现转角位置的精确控制。

结 果

采用自抗扰控制器可以显著提高转角控制精度,并抑制臂杆的振动,其中自抗扰控制器中采用飞线性PD控制器时,优势更为明显。

结 论

自抗扰控制器在应用于多柔性连杆机械臂的运动控制中具有一定的优势,可以进行工程推广。

关键词：多柔性连杆机械臂;自抗扰控制;飞线性比例微分控制器;跟踪微分器;状态扩张观测器

     

一类具有输出不确定性的Lipschitz非线性系统观测器设计

针对输出带有不确定性的Lipschitz非线性系统,提出了一种基于LMI的Lyapunov方法来设计此类系统观测器.在系统输出的不确定性满足Lipschitz条件时,通过LMI方法选取观测器的增益矩阵,并运用Lyapunov方法给出观测器渐近收敛的充分条件.同时给出了满足该观测器Lipschitz常数最大值的计算方法.最后通过仿真实例验证了观测器的有效性.     

Disturbance observer based position tracking of electro-hydraulic actuator

A nonlinear controller based on an extended second-order disturbance observer is presented to track desired position for an electro-hydraulic single-rod actuator in the presence of both external disturbances and parameter uncertainties. The proposed extended second-order disturbance observer deals with not only the external perturbations, but also parameter uncertainties which are commonly regarded as lumped disturbances in previous researches. Besides, the outer position tracking loop is designed with cylinder load pressure as output; and the inner pressure control loop provides the hydraulic actuator the characteristic of a force generator. The stability of the closed-loop system is provided based on Lyapunov theory. The performance of the controller is verified through simulations and experiments. The results demonstrate that the proposed nonlinear position tracking controller, together with the extended second-order disturbance observer, gives an excellent tracking performance in the presence of parameter uncertainties and external disturbance.     

一类离散Markov跳跃系统基于状态观测器的鲁棒H_∞控制

研究了具有不确定性的模式依赖时滞离散Markov跳跃系统基于状态观测器的鲁棒H∞控制问题。目的是构建依赖于系统模式的观测器和控制器,使得闭环系统是随机稳定的且具有较好的H∞干扰抑制性能。通过选取合适的随机Lyapunov函数,利用线性矩阵不等式,给出了鲁棒H∞控制器存在的时滞依赖条件。基于锥补线性化算法对控制器进行求解,得到了模式依赖观测器和控制器。最后通过数值仿真证明了本文方法的可行性。     

电弧炉电极系统双模控制策略研究及应用

针对交流电弧炉电极控制系统具有非线性时变、多变量、强耦合及存在随机干扰的特点,采用基于最近邻聚类方法的径向基函数(RBF)神经网络快速学习算法,通过实时在线辨识,建立电弧炉电极系统的精确逆模型并用于控制,实现了将具有强耦合特性的多变量输入/输出(MIMO)系统解耦成单个独立的伪线性对象,并提出一种基于RBF神经网络逆控制与比例微分(P/D)控制相结合的双模控制策略。应用结果证实了该控制策略具有快速适应对象和过程变化的能力及较强的鲁棒性。     

高精度永磁直线同步伺服系统鲁棒位置控制器的设计

介绍了高精度、微进给永磁直线交流同步电机（PMLSM）驱动系统鲁棒位置控制器的设计，首先，在空载情况下，由静态实验获得非线性摩擦系数模型，通过前馈摩擦补偿器补偿非线性摩擦，其次，由递推最小二乘估计器RLS和负载扰动力观测器构成的估计器，用它来估计动子质量，粘滞摩擦系数和负载扰动力，设计积分－比例IP位置控制器以满足跟踪指令和抑制扰动，将观测的负载扰动力前馈，进一步增强系统的鲁棒性。     

串联式混合动力汽车起-停巡航控制

以串联式混合动力汽车BJUT-SHEV为研究对象,针对起停工况下模型参数摄动和外部干扰等不确定性因素对控制效果的影响,提出一种基于非线性干扰观测器理论的自适应滑模控制方法.通过引入非线性干扰观测器对系统中存在的不确定进行估计,利用估计结果补偿滑模控制器输出,以提高滑模控制器的控制性能及鲁棒性;设计自适应律对切换增益自适应调节,以削弱滑模控制器的输出抖振.基于Lyapunov理论证明了该方法的稳定性,最后通过仿真实验进一步验证了该方法的可行性及有效性.     

基于观测器摩擦补偿的机电系统高精度控制

针对机电作动系统在低速阶段摩擦非线性明显且同时存在其他干扰,易导致系统跟踪精度、稳定性下降这一问题,设计基于非线性观测器摩擦补偿的自适应鲁棒控制器. 针对摩擦非线性,利用LuGre摩擦模型描述系统的摩擦现象,提出非线性观测器对模型的内部摩擦状态进行观测. 针对系统摩擦系数、转动惯量及其他不确定性参数,设计参数自适应律进行估计. 利用前馈补偿的方法,对摩擦非线性和参数不确定性进行补偿,设计鲁棒项克服系统的其他扰动. 利用Lyapunov稳定性定理证明了提出的控制器在存在扰动的情况下可以实现系统的有界稳定性. 实验结果表明,提出的控制器具有较高的控制精度与较强的鲁棒性,跟踪精度较传统的PID控制器提高了一个数量级.     

一类具有多种不确定性机器人系统的自适应控制

机器人系统含有不同类型的不确定性因素,这些因素的存在可能会影响系统的控制精度,甚至引起系统不稳定。针对具有外部干扰、内部动力学参数不确定性以及未知死区特性的一类不确定性机器人系统,提出了一种基于干扰观测器的自适应控制器。首先建立具有外部干扰的机器人系统非线性数学模型,并对模型中内部动力学参数不确定性和未知死区特性进行了分析。采用非线性干扰观测器对系统所受到的外部干扰进行估计和补偿,在干扰观测器的基础上设计自适应控制器用来处理内部动力学参数的不确定性以及未知的死区特性。最后采用李雅谱诺夫函数法从理论上证明了系统的稳定性和位置跟踪误差的收敛性,并采用数值仿真验证了所设计方法的有效性。     

一类非线性系统的鲁棒观测器——控制器设计

针对一类可反馈线性化的不确定性非线性系统,研究了鲁棒观测器－控制器设计问题。当系统不确定性满足匹配条件时,设计问题转化为不确定性线性系统的设计。给出了以李亚普诺夫方法为基础的设计算法。计算实例证明了所提方法的有效性。