利用模拟退火优化快速反射镜控制策略

由于快速反射镜(FSM)系统在不同应用场合下需要不同有效带宽和闭环带宽,本文基于压电FSM控制系统建立系统模型,通过分析系统光轴抖动情况,对FSM控制算法进行了优化。首先,测得系统闭环Bode图,利用模拟退火算法求取系统传递函数;然后,结合辨识模型与模拟退火算法,提出了一种满足不同应用场合的全局最优PID控制器。最后,通过阶跃响应测试验证辨识模型的正确性,通过闭环实验测试验证最优控制器的有效性。结果表明,辨识模型与实际系统在中低频段符合得很好,阶跃响应曲线基本一致。采用最优控制器控制的系统有效带宽为35 Hz,闭环带宽为70Hz,跟踪精度提高了47%,基本满足当前实验环境下对FSM性能的要求。提出的系统显示良好的低频跟随能力和高频干扰抑制能力,跟踪精度高,器件损耗小。     

音圈致动快速反射镜的降阶自抗扰控制

为改善航空光电载荷用音圈致动快速反射镜的控制性能,提出一种降阶自抗扰控制方法。首先,对快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)模型进行了分析并获取了模型参数。根据自抗扰控制理论,设计了FSM的三阶通用自抗扰控制器。将电涡流传感器的测量结果视为已知,提出降阶扩张状态观测器及其对应的自抗扰控制器设计方法。根据控制器带宽设计思想,推导了对于FSM这类二阶欠阻尼对象的控制律,并给出了加入扰动补偿量的控制律的具体实现形式。实验结果表明,降阶自抗扰控制能明显改善FSM的位置阶跃响应动态性能,能实现无超调与振荡的阶跃响应,稳态时间由11.7 ms提升至9.2 ms,同时能够降低FSM对位置斜坡输入跟踪的稳态误差,并改善其速度响应动态过程,像移补偿稳速时间由10.2 ms提升至7.8 ms,提升约24%。降阶自抗扰控制具有实现简单、运算量小的特点,能够明显提升FSM的动态性能。     

基于AMESim的动压缸电液伺服压力控制系统积分滑模自适应控制

 根据轨道路基测试装置工作原理,建立了动压缸电液伺服压力系统AMESim模型和数学模型。基于期望变量构造了积分滑模控制切换函数,设计积分滑模控制器使切换函数收敛来实现对期望变量的跟踪,同时采用参数自适应估计来减小参数不确定性对系统控制性能的影响,最后将积分滑模自适应控制作用于该系统AMESim模型上。仿真结果表明：该算法不仅可以快速有效地估计系统中参数,保证估计参数的有界收敛,而且可以很好地跟踪期望变量,具有较好的跟踪精度和抗干扰能力。     

模型参考自适应滑模控制方法在前向像移补偿中的应用

为了提高航空相机的飞行分辨率,提出了一种基于模型参考自适应的滑模控制方法。用模型参考自适应算法对时变系统参数进行在线辨识,并改变滑模控制器的控制参数。采用基于衰减控制的变速趋近律作切换函数,加快系统收敛速度,减小切换过程中的抖动。实验结果表明,同PID控制方法相比较,模型参考自适应滑模控制方法将速度补偿误差降低了60%,相应地将航空相机的飞行分辨率提高了2倍。因此,基于此方法的前向像移补偿系统可提高速度跟踪精度和鲁棒性,对时变干扰力矩具有较强的抑制能力。     

采用分数阶趋近律的汽车ABS积分滑模控制研究

为研究和评价ABS性能,以单轮车辆模型为基础,建立了单轮车辆动力学模型、轮胎模型及滑移率与附着系数的数学模型。在此基础上,提出了一种采用分数指数趋近律的汽车防抱死制动系统滑模变结构控制策略。这里主要采用含积分的滑模函数来设计切换函数,并结合分数阶指数微分方程、F-函数定义与性质,设计了分数阶指数趋近律。然后以实现高精度的滑模控制为目标,推导得到控制器总的等效控制输出。同时,在Matlab/Simulink中进行系统建模和仿真实验。结果表明:相比整数阶的汽车防抱死滑模控制系统滑移率能够更快、更准的跟踪达到期望值,制动时间和制动距离明显降低。     

基于改进扩展状态观测器的四旋翼无人机轨迹鲁棒跟踪控制

针对四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中会受到内外部扰动、模型误差等不确定性因素的影响,本文提出了一种基于改进型扩展状态观测器的积分滑模控制方案。具体来讲,首先,将四旋翼无人机系统存在的模型误差以及内外部扰动等不确定性因素视作集总干扰,通过借鉴的改进扩展状态观测器对其进行观测;进而,在此基础上,进一步考虑四旋翼无人机系统控制的连续性,基于四旋翼无人机轨迹误差、速度误差、姿态角误差和姿态角速度误差设计积分滑模控制器,分析了系统的稳定性并分别进行了数值仿真和实机实验。结果表明,采用本文算法时,在数值仿真中,各状态跟踪误差不超过1%,跟踪精度最高;在实机实验中,位置跟踪误差总体上能控制在20%以下。因此,本文方法具备有效性和可行性。     

快速反射镜系统的扰动抑制控制研究

快速反射镜（Fast Steering Mirror,FSM）作为惯性稳定平台的精跟踪控制系统,能够进一步提高惯性稳定平台的视轴稳定精度。针对FSM在工作过程中受到的外界风力干扰、载机姿态变化和内部摩擦力等多源扰动,设计基于干扰观测器（Disturbance Observer,DOB）的抗扰控制方法。先建立FSM的数学模型,对实体快反镜进行模型辨识,然后设计基于干扰观测器的速度环扰动抑制控制方法。通过仿真实验验证了所设计干扰抑制方法的有效性,可为扰动抑制方法的工程应用奠定基础。     

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.     

基于级联滑模控制的高精度光电跟踪与捕获

为了进一步提高光电跟踪系统的目标捕获和跟踪性能,提出了一种基于变增益趋近律的级联滑模控制方法。基于反双曲正弦函数和幂次项设计了新型变增益滑模趋近律,在提高滑模面趋近速度的同时抑制滑模抖振现象;基于变增益滑模趋近律设计速度环和位置环滑模控制器构成级联滑模控制,以提高系统的动态响应性能和鲁棒性,提高系统对目标的捕获能力和跟踪精度。最后,以某球形光电跟踪系统的方位轴作为控制对象,进行了传统级联PI控制和级联滑模控制方法的对比分析。实验结果表明,相比于传统级联PI控制,捕获速度为1(°)/s的目标时,级联滑模控制可以将目标捕获时间减小32%;跟踪等效最大速度为4(°)/s和最大加速度为2(°)/s 2的正弦引导信号,可将跟踪误差RMS值减小31%,采用级联滑模控制可有效提高跟踪系统的控制性能。     

欠驱动机械臂滑模控制与实验研究*

针对非线性、强耦合的欠驱动两杆机械臂Pendubot,提出了一种在倒立不稳定平衡点邻域内局部线性化的基于Hurwitz稳定判据的滑模控制方法。首先定义一个分别由主动臂和欠驱动臂的角位置、角速度跟踪误差的线性组合滑模面。通过Lyapunov稳定性分析保证了系统的所有状态能够到达滑模面并保持在滑模面上,根据滑模面条件,降低原系统的阶数,再令降阶系统满足Hurwitz稳定判据,从而原系统渐进稳定,其所有状态变量最终收敛于平衡点,同时得到滑模面参数。仿真和实验结果表明,所设计的控制方法易于实现,能够抵抗一定的外界干扰,对模型的参数摄动不敏感、鲁棒性强。     

具有两个双轴柔性铰链的快速反射镜设计

为了改善快速反射镜(FSM)对车载运动平台振动、冲击环境的适应性,设计了一款具有中心和四周两个双轴柔性铰链支撑结构的FSM。在明确车载跟瞄发射系统应用需求的基础上,分别对FSM的平面反射镜、驱动元件、测角元件和柔性铰链进行了详细设计和选择。采用两两差分的方法对四通道电涡流传感器的测量噪声进行抑制,有效保证了FSM的测量精度。采用有限元分析的方法对中心和四周柔性铰链的模态和刚度进行分析与优化设计,有利保证了FSM控制带宽的提高。完成FSM的精密加工、装调后,对系统的指向精度、控制带宽和阶跃响应时间进行了实验测试分析。结果表明,所设计FSM的指向精度优于1″,闭环控制带宽大于200 Hz,阶跃响应时间约为10 ms,满足车载平台系统的应用需求。     

基于滑模变结构的陀螺稳定平台非线性解耦控制

为了消除陀螺稳定平台系统中各框架间的非线性耦合影响,设计了一种滑模非线性解耦控制算法.分析了高精度三轴陀螺稳定平台框架间的非线性耦合特性,建立了系统的动力学模型.利用非线性微分几何方法对系统进行了输入输出解耦控制设计,结合模型跟踪滑模变结构控制方法消除了系统解耦控制中的非线性扰动因素.针对滑模控制中的抖动问题,设计了带有边界层的积分滑模控制器,有效减弱了控制器的抖振现象,提高了系统解耦精度.在某型号电视导引头稳定平台系统中测试表明了该解耦控制方法的有效性和可行性.同PID方法和不带边界层的滑模控制方法相比较,该解耦方法的解耦效果明显优于其他两种方法.     

机载刚性支撑式快速控制反射镜设计

设计了一款紧凑型刚性支撑式快速控制反射镜(FSM),以适应机载运动平台的高振动、大冲击和高低温等恶劣工作环境。考虑机载FSM的工作需求,分别对FSM的支撑轴系、驱动元件和测角元件等进行设计与选择。针对刚性支撑轴系设计了轴系间隙调整机构,提高了FSM系统的轴系精度,进一步增大了FSM的承载能力;针对机载FSM研制了专用小尺寸微位移测量传感器,通过将4个传感器非轴线对称布置,并利用二次差分的方式实现反射镜位置的实时监测,进一步减小了FSM系统的体积,提高了它的测量精度。最后,对机载FSM的控制带宽和指向精度进行了实验检测。结果显示:所设计的FSM系统控制带宽约为110Hz,方位指向误差不超过3.4″,俯仰指向误差不超过3.8″,表明所设计的FSM控制系统稳定、响应速度快、指向精度高,满足机载运动平台的应用要求。     

高速开关阀驱动的气动肌肉关节的滑模变结构跟踪控制

建立了PWM高速开关阀控制的气动人工肌肉单关节的4阶SISO动态数学模型，针对实现轨迹跟踪目标，采用输入输出线性化方法得到相对阶数为3的等价系统，该等价系统零动态渐近稳定。由于系统具有参数不确定性和未建模动态特性，采用了带积分的滑模变结构控制。实验结果表明，采用基于等效降阶模型的鲁棒控制，当模型存在误差时，能在关节的整个运动范围内实现较高精度的轨迹跟踪，且对气源压力和负载变化等外加干扰具有良好的鲁棒性。     

不确定机械系统的二阶逼近模糊滑模控制

针对不确定机械系统,利用模糊逻辑系统的万能逼近特性对未知非线性函数建模,以便设计控制方法。基于一阶逼近精度的模糊逻辑系统需要足够多的模糊规则才能保证一定的逼近精度,然而规则数的增多必然导致计算量的增大,不利于实时控制。本文中设计了具有二阶逼近精度的模糊逻辑系统对机械系统中的非线性未知部分进行实时逼近,并结合鲁棒性能好的滑模控制对不确定机械系统进行轨迹跟踪控制。从仿真实验证明,具有二阶逼近精度的模糊系统可以以很少的规则高精度的逼近任意非线性函数,并以此为基础构成的模糊滑模控制器不仅可以达到所希望的控制精度,比起规则数量多得多的模糊滑模控制,甚至位置误差和速度误差更小,跟踪速度更快。故采用特殊隶属函数所设计的自适应模糊逻辑系统,解决了逼近精度和模糊规则数量之间的矛盾,为机械系统的高精度的实时控制提供了保证。     

基于分数阶滑模观测器的PMSM分数阶积分滑模控制（英文）

针对永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)运行过程中内部参数变化和外部负载扰动影响控制性能的问题,提出了一种基于分数阶滑模观测器的PMSM分数阶积分滑模控制(Fractional order integral sliding mode control, FOISMC)策略。基于FOISMC技术,设计了分数阶积分滑模转速调节器,给出了能保证系统全局鲁棒性的全程积分滑模面设计方法。基于分数阶理论和滑模控制理论构造了分数阶滑模观测器,实现了对速度和转子位置角的高精度估计。利用滑模负载观测器对负载转矩进行了实时观测,并将观测到的负载转矩传递到转速控制器中,提高了系统抗负载扰动的能力。仿真实验验证了所提方法的可行性和有效性。     

滑模变结构控制方法在混合输入平面五杆机构中的应用和稳定性分析

混合输入平面五杆机构具有两个自由度,其动力学模型是一个高度非线性和强耦合系统。基于李亚普诺夫函数、利用滑模变结构控制理论(slid ing mode control)设计了控制器,并对系统进行了控制仿真。仿真结果表明,在不改变机构结构和进行质量重布的情况下,就可以实现较高精度的轨迹跟踪。理论分析证明,所设计的滑模变结构控制器是全局稳定的。     

基于动力学模型的快速反射镜设计

为了实现快速反射镜系统(FSM)的性能预测和快速设计,建立了两轴FSM的动力学模型,并提出了基于该动力学模型的FSM设计方法。介绍了FSM的结构与工作原理,推导了FSM的理想动力学模型,分析了FSM的高阶谐振和轴间耦合,建立了二自由度FSM整体模型。基于该模型,设计了某型FSM的主要参数,并进行了性能仿真。根据所设计的参数制作了FSM试验样机,测试了样机性能。试验结果表明：模型性能仿真结果与试验样机测试结果基本一致,系统带宽达到250 Hz以上,调节时间小于15 ms,超调量小于8%,定位精度优于20 μrad。结果表明,设计的FSM样机性能满足指标要求,验证了该设计方法的有效性和正确性。     

水下机械手分数阶积分滑模轨迹跟踪控制方法研究

针对未知有界外部干扰下水下机械手的轨迹跟踪问题,提出了一种分数阶积分滑模控制方法。该方法采用了基于分数阶积分滑模面的指数趋近律,考虑外部扰动,在模型中添加了外部扰动的近似估计项,使得系统可以实现快速收敛,且具有较强的抗干扰能力。利用李雅普诺夫理论证明了该方法的稳定性。对六自由度水下机械手的跟踪问题进行了仿真,结果表明,该控制方法具有良好的轨迹跟踪能力,且对外部干扰表现出良好的鲁棒性。     

基于自调整神经元的无人直升机航向控制方法

直升机航向动力学包含输入非线性、时变参数和主－尾旋翼之间的强耦合,传统的比例积分微分(Proportional integral differential, PID)方法很难达到良好的控制性能。基于以上原因,通过把自调整神经元与滑模控制相结合,提出一种能够解决带有输入非线性的航向自适应控制方法。与常规自适应控制相比,用滑模条件代替误差函数作为目标函数,使控制器在保证闭环稳定性的同时,能够进一步使跟踪误差满足期望精度。证明了该方法的稳定 性,针对实际模型直升机试验平台航向动力学模型的仿真结果,以及与传统PID方法的比较都表明了该方法的有效性。