侧滑打滑时的WMR抗饱和模糊超螺旋滑模控制

针对侧滑打滑干扰和执行器饱和约束导致轮式移动机器人(WMR)轨迹跟踪困难的问题,提出一种抗饱和模糊超螺旋滑模控制策略.根据WMR的轨迹跟踪误差模型,设计运动学控制器,得到辅助速度控制律;采用反步法思想,设计抗饱和模糊超螺旋滑模动力学控制器,通过饱和约束辅助系统实现抗饱和控制,并引入模糊自适应律,动态调整超螺旋控制律参数...     

基于改进型积分终端滑模控制方法的移动机器人轨迹跟踪设计与实验

为了使移动机器人获得高精度和快速收敛的跟踪性能,设计一种基于积分终端滑模和滑模观测器的轨迹跟踪控制方法.首先,考虑到移动机器人在实际运动过程中会受到地面湿滑、摩擦等原因引起的侧滑扰动的影响,建立其在该扰动影响下的运动学模型;然后,利用该动态模型设计滑模观测器来估计系统受到的扰动;接着,将估计的扰动值前馈至反馈控制器,用来抑制扰动对系统控制性能的影响,从而达到削弱抖振的目的;同时,基于跟踪误差设计积分终端滑模面,并结合滑模面和扰动估计设计新型积分终端滑模控制器;最后,基于Lyapunov稳定性理论对整个闭环系统进行稳定性分析.仿真实验结果表明,所设计的控制器具有更高的跟踪精度和更强的鲁棒性.     

滑动与打滑条件下的轮式移动机器人自抗扰跟踪控制

针对具有未知的滑动与打滑的轮式移动机器人(WMR),提出了一种基于自抗扰思想的跟踪控制策略.首先建立了滑动与打滑条件下的轮式移动机器人动力学模型.其次,由反步法设计运动学控制器,基于模型设计线性扩张观测器和动力学控制器,并给出了控制器稳定性分析.最后与积分滑模控制进行了仿真对比,结果表明该控制方法的误差收敛速度更快.观测器能够精确估计滑动与打滑及动力学不确定性对机器人的扰动,提高了轮式移动机器人轨迹跟踪的鲁棒性.     

移动机器人轨迹跟踪快速终端滑模自抗扰控制

针对移动机器人动力学模型难以精确建立、运动过程中各种干扰对高精度轨迹跟踪造成偏航等问题,构造出一种快速终端滑模自抗扰控制器,实现了高速高精度轨迹跟踪控制目标。首先建立非完整移动机器人的干扰控制模型;然后运用扩张状态观测器实时监测系统未建模动态与各种干扰;同时将扩张状态量和系统反馈量作为快速终端滑模算法的系统变量;最后设计出一种快速终端滑模控制律,代替传统自抗扰算法中的非线性控制律,从而实现位姿的快速精确跟踪。该算法既克服了非线性误差控制律中参数繁杂不易整定的缺陷,又增强了系统鲁棒性和轨迹跟踪的动态品质。对比仿真实验验证了该控制算法的有效性和先进性。     

机器人系统终端滑模重复学习轨迹跟踪控制

针对非线性机器人系统的轨迹跟踪问题, 提出一种终端滑模重复学习混合控制方案. 该方案综合了重复学习控制和终端滑模技术的特性, 能够有效跟踪周期性参考信号, 抑制周期性和非周期性动态的干扰, 具有较强的鲁棒性和良好的轨迹跟踪性能, 且算法的实现不需要完全已知系统模型信息. 应用Lyapunov 稳定性理论证明了闭环系统的全局渐近稳定性. 三自由度机器人系统数值仿真结果验证了所提出的终端滑模重复学习控制的有效性.

     

轮式移动机器人固定时间轨迹跟踪控制

针对存在外部干扰的轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种固定时间轨迹跟踪控制方案.首先,对于轮式移动机器人的运动学误差模型,基于一种新颖的积分滑模面设计固定时间运动学速度控制器,使跟踪误差在固定时间收敛到原点所在的邻域内;其次,对于轮式移动机器人的动力学模型,设计固定时间干扰观测器对外部干扰信息进行估计,提出一种固定时间轨迹跟踪控制器,以确保动力学系统的固定时间稳定性,实现轮式移动机器人的高精度轨迹跟踪控制;最后,通过仿真结果验证所设计的轨迹跟踪控制方案的有效性.     

基于非奇异快速终端滑模的多水面船固定时间协同控制

针对多水面船协同控制过程中存在的时变海洋环境干扰、模型参数不确定性、速度测量值未知和输入饱和的问题,提出一种基于非奇异快速终端滑模的固定时间分布式协同控制方案,该方案可保证协同控制系统的全局固定时间稳定性.首先,设计一个固定时间扩张状态观测器,用于估计速度和集总干扰(包括时变海洋环境干扰和模型参数不确定性);其次,设计一种新型的固定时间辅助动态系统处理输入饱和;再次,基于固定时间非奇异快速终端滑模面提出一种分布式抗饱和的滑模控制器,消除系统的奇异性,并且使得收敛时间上界独立于系统的初始状态;最后,为了避免在编队控制律中使用邻船的加速度,设计一种改进的一致鲁棒精确微分器估计邻船的加速度信息.仿真结果验证了所提方案的有效性.     

推进器饱和约束的水面无人艇固定时间精准跟踪控制

针对复杂扰动、完全未知系统动态以及推进器饱和约束的水面无人艇高精度跟踪控制问题,提出一种基于固定时间非奇异终端滑模的无模型固定时间精准跟踪控制(MFPTC)方案.首先,设计有限时间集总观测器,精确重构和补偿集总未知项;其次,引入自适应辅助系统消除推进器饱和特性,使得MFPTC方案在饱和约束下实现期望时间内对预定轨迹的精准跟踪;进而,基于反正切函数构造固定时间幂次趋近律,加快滑模变量收敛速度且有效削弱控制抖振;最后,采用CyberShip Ⅱ实验模型进行仿真研究,结果验证所提出MFPTC方案的有效性与优越性.     

考虑状态约束与执行器饱和的水下机器人轨迹跟踪控制

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设计一个非线性观测器进行估计并用于对控制器进行扰动补偿;接着,引入执行器饱和补偿系统、二阶滤波器以及滤波器误差补偿系统,设计命令滤波反步滑模控制器来控制水下机器人的水平面轨迹跟踪;最后,严格验证命令滤波反步滑模控制器的稳定性并进行数值仿真,验证所提出控制器的有效性.     

电液负载模拟器的自适应滑模控制方法

针对电液负载模拟器存在的系统非线性、不确定性和强干扰的控制难点,设计了自适应滑模控制方法.设计积分滑模以降低控制器对期望跟踪轨迹高阶导数的要求;设计动态滑模算法抑制抖振;采用小脑模型关节控制器(CMAC)在线学习系统不确定性以降低控制器参数设计的保守性.设计了自适应滑模控制律,给出了CMAC神经网络权值调整算法,证明了控制器的稳定性,以确保系统稳定且输出跟踪误差渐近收敛于零.仿真结果证明了控制策略的有效性.     

智能车辆自动超车系统的数据驱动路径跟踪约束控制

针对智能车辆自动超车系统,提出了一种新的数据驱动超车路径跟踪约束控制方案,系统控制方案的设计仅利用自动超车系统的输入/输出数据,并不包括车辆的模型信息,所以针对不同的车型均能够实现自动超车的数据驱动路径跟踪约束控制.在控制器的设计过程中,针对控制输入受变化范围和变化速率的限制,提出了一种新的动态抗饱和补偿器来解决饱和问题.最后给出了数据驱动约束控制与原型无模型自适应控制(model free adaptive control,MFAC)以及PID控制的仿真结果对比,结果表明,本文所提控制方案能够很好的完成自动超车过程的路径跟踪,且相比原型MFAC以及PID控制方案,本文方案具有更小的跟踪误差和更快的响应速度.     

具有输入饱和的电液伺服位置系统自适应动态面控制

针对具有非线性、参数不确定性及输入饱和问题的电液伺服位置系统,提出了一种自适应动态面控制器的设计方法.该方法充分考虑饱和特性,利用双曲正切函数和辅助控制信号对系统非线性模型进行等价变换,进而采用动态面方法设计抗饱和控制器.设计过程中引入Nussbaum函数,以补偿输入饱和引起的非线性项.通过构造合适的Lyapunov函数,证明闭环系统的所有信号一致最终有界.仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的跟踪效果,并有效地削弱了输入饱和对系统造成的不良影响.     

单输入线性系统的改进型动态抗饱和设计

本文基于状态重置的改进型动态抗饱和补偿方案, 研究了具有单输入的线性饱和系统的抗饱和控制问题. 相比较于传统的动态抗饱和补偿方案, 当执行器不饱和时, 改进的动态抗饱和补偿方案把动态抗饱和补偿器的状态重置为零. 所以当执行器不饱和时, 改进的动态抗饱和补偿器将不会对控制器进行补偿. 进一步的, 提出了一个时间依赖的Lyapunov函数来分析闭环系统的稳定性, 并以LMIs的形式给出了闭环系统的控制综合条件. 最后, 通过压电纳米运动平台验证了所提出的改进型动态抗饱和补偿方案的有效性。     

具有输入饱和的近空间飞行器鲁棒控制

针对近空间飞行器这一类存在外部扰动,输入饱和和参数不确定的多输入多输出线性系统,提出了一种基于干扰观测器的抗饱和鲁棒控制方案.将干扰观测器与抗饱和控制技术相结合,从而消除系统存在的未知外部扰动、输入饱和和不确定性对系统控制的影响.首先,设计干扰观测器对线性外部系统产生的未知扰动进行估计.然后根据干扰观测器输出,通过超前抗饱和方法设计抗饱和补偿器,并将其加入到鲁棒控制器的设计中,保证闭环系统存在输入饱和、未知外部扰动和参数不确定情况下的稳定性.为便于设计,干扰观测器、抗饱和补偿器和控制器设计矩阵均通过求解线性矩阵不等式得到.最后,将提出的鲁棒抗饱和控制方法应用于近空间飞行器,仿真结果验证了该控制方案的有效性.     

Anti-windup controller design using linear parameter-varying control methods

In this paper, we seek to provide a systematic anti-windup control synthesis approach for systems with actuator saturation within a linear parameter-varying (LPV) design framework. The closed-loop induced L2 gain control problem is considered. Different from conventional two-step anti-windup design approaches, the proposed scheme directly utilizes saturation indicator parameters to schedule accordingly the parameter-varying controller. Hence, the synthesis conditions are formulated in terms of linear matrix inequalities (LMIs) that can be solved very efficiently. The resulting gain-scheduled controller is non-linear in general and would lead to graceful performance degradation in the presence of actuator saturation non-linearities and linear performance recovery. An aircraft longitudinal dynamics control problem with two input saturation non-linearities is used to demonstrate the effectiveness of the proposed LPV anti-windup scheme.     

Discrete-time extended state observer-based model-free adaptive constrained sliding mode control with modified prescribed performance via CFDL and PFDL

To tackle the trajectory tracking problem and achieve high control accuracy in many actual nonlinear systems with unknown dynamics and input saturation, a novel discrete-time extended state observer-based model-free adaptive constrained sliding mode control with modified prescribed performance is investigated via compact-form dynamic linearization (CFDL) and partial-form dynamic linearization (PFDL). Firstly, the original non-affine system is turned into an affine one comprising an unknown nonlinear term and a linearly parametric term affine to the input via both PFDL and CFDL. Then, a discrete-time extended state observer (DESO) is used to estimate the lumped disturbance containing the unknown nonlinear time-varying term and the term relevant to the estimation error of pseudo partial derivative (PPD) parameter. Furthermore, a modified prescribed performance function is introduced in the model-free adaptive sliding mode control scheme to keep the output tracking error in the prescribed bound without causing any asymmetric offset error in the steady-state. Meanwhile, to suppress the influence of input saturation on the control system, an anti-windup compensator is used. Finally, rigorous theoretical analyses show the robust convergence of the tracking error via the proposed CFDL and PFDL-based methods under external disturbances. Simulations verify the superiority of the modified prescribed performance function, DESO, and anti-windup compensator in the proposed method. Also, the effects of the PFDL-based method and the CFDL-based one are compared during the simulation.     

输入受限四旋翼飞行器的模糊自适应动态面轨迹跟踪控制

针对输入受限条件下四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和未知外界干扰的情况,提出一种模糊自适应动态面轨迹跟踪控制方法.该方法设计干扰观测器估计位置模型中复合扰动项,利用模糊系统逼近姿态模型中不确定项和外界干扰,并引入双曲正切函数和辅助系统处理输入受限问题,结合反演法和动态面技术设计轨迹跟踪控制器,以降低控制算法的复杂性,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界.应用大疆M100飞行器模型进行仿真验证,结果表明所设计的控制器能够有效处理模型动态不确定和未知外界干扰问题,避免飞行器工作过程中因输入饱和导致执行器失效现象,精确地完成轨迹跟踪控制任务.     

一种无模型自适应积分终端滑模控制方法

针对一类包含扰动的非线性离散时间系统,提出一种新的无模型自适应离散积分终端滑模控制算法.该算法基于紧格式动态线性化数据模型,利用离散积分终端滑模控制算法设计无模型自适应控制器,并采用扰动估计技术估计系统的扰动项,其中动态线性化方法中“伪偏导数”的估计算法仅依赖于被控系统的I/O测量数据.理论分析证明了系统输入输出有界,并通过仿真实验验证了所提算法的有效性.     

Introducing concepts of passivity-based control in anti-windup algorithms

This work presents a reference conditioning anti-windup scheme based on passivity control theory. The main closed-loop is controlled by a proportional–integral–derivative (PID) control, and the injection and damping assignment technique ensures that PID variables are compatible with the process input. In the proposed algorithm, a fictitious actuator, modeled as a first-order filter, is incorporated to estimate the rate of change and the output of the actuator device. Amplitude and rate constraints are weight by coefficients that shape the energy function of the anti-windup scheme. Finally, to show how the algorithm can cope with the windup problem, simulation results are presented. Even when shown the results on a linear PID, the proposal can extend to any linear or nonlinear control in the main control loop.     

非平衡负载下轮式移动机器人的抗扰PID控制

在非平衡负载条件下,轮式移动机器人(WMR)的前进、转向速度耦合,影响着轨迹跟踪和避障等运动控制性能.为此,本文提出了一种基于抗扰PID(DR–PID)控制器的WMR速度调节主动抗扰(ADR)控制策略.首先,建立WMR的速度耦合模型,引入解耦矩阵减小静态耦合作用;然后,基于一类改进干扰观测器(DOB)控制方法,设计一种...