基于微分平滑的四旋翼运输系统轨迹跟踪控制

四旋翼系绳运输系统是一种具有8个自由度和4个控制输入的欠驱动、强耦合、多变量的非线性系统.为建立系统模型,将系统解耦为双质点系绳连接子系统和四旋翼姿态控制子系统,基于广义拉格朗日方程推导出系统的动力学模型.然后利用微分平滑理论证明了系统是以载荷位置和四旋翼偏航角为平滑输出的微分平滑系统.进而在等式限制条件下对平滑输出轨迹进行规划,获得前馈开环控制律.为抑制系统扰动并使跟踪误差收敛于原点,利用微分平滑特性推导出动态内反馈控制器.仿真实验验证了所提方法的有效性.     

基于扩张状态观测器的四旋翼吊挂飞行系统非线性控制

针对一类四旋翼飞行器吊挂飞行系统的负载摆动抑制和轨迹跟踪精确控制的问题, 考虑系统存在未知外界扰动和模型动态不确定的情况, 提出一种基于扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)的吊挂负载摆动抑制的非线性轨迹跟踪控制方法. 将四旋翼吊挂飞行系统分解为姿态、位置和负载摆动控制三个动态子系统, 分别设计非线性控制器实现欠驱动约束下的解耦控制; 设计一种扩张状态观测器, 用以估计和补偿四旋翼与吊挂负载耦合飞行的未知外界扰动与模型动态不确定性, 并验证了闭环系统的稳定性, 跟踪误差及吊挂负载摆动所有信号的一致最终有界. 最后, 利用Quanser公司的Qball2飞行器进行三维空间螺旋轨迹的跟踪控制, 仿真结果验证了未知干扰下基于扩张状态观测器的四旋翼吊挂飞行非线性控制的有效性和优越性, 实现了四旋翼吊挂系统轨迹跟踪的精确控制和飞行过程中负载摆动的快速抑制.     

四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.     

小型四旋翼无人机双闭环轨迹跟踪与控制

近年来, 无人飞行器控制繁荣发展对控制精度与品质要求日益增高. 为了应对这一挑战, 本文基于奇异摄 动的思想设计了四旋翼无人机非线性轨迹跟踪控制器. 首先, 基于牛顿欧拉定律建立了四旋翼无人飞行器非线性 奇异摄动形式的数学模型. 然后, 引入奇异摄动理论, 通过时间尺度分解的方法将系统解耦成内环快子系统和外环 慢子系统. 再者, 根据非线性动态逆的思想分别建立快、慢伪线性子系统, 并基于此分别设计外环轨迹跟踪、内环稳 定子控制器, 综合子控制器生成应用于原系统的全阶控制器以兼顾跟踪精度和鲁棒特性. 针对内环快系统, 采用线 性二次调节控制器以实现稳定快速地控制飞行器旋转动态; 针对外环慢系统, 运用经典的比例–微分–积分控制器 以跟踪所给定的轨迹. 最后给出了仿真实例说明本文结论的有效性.     

小型四旋翼无人机双闭环轨迹跟踪与控制（英文）

近年来,无人飞行器控制繁荣发展对控制精度与品质要求日益增高.为了应对这一挑战,本文基于奇异摄动的思想设计了四旋翼无人机非线性轨迹跟踪控制器.首先,基于牛顿欧拉定律建立了四旋翼无人飞行器非线性奇异摄动形式的数学模型.然后,引入奇异摄动理论,通过时间尺度分解的方法将系统解耦成内环快子系统和外环慢子系统.再者,根据非线性动态逆的思想分别建立快、慢伪线性子系统,并基于此分别设计外环轨迹跟踪、内环稳定子控制器,综合子控制器生成应用于原系统的全阶控制器以兼顾跟踪精度和鲁棒特性.针对内环快系统,采用线性二次调节控制器以实现稳定快速地控制飞行器旋转动态;针对外环慢系统,运用经典的比例–微分–积分控制器以跟踪所给定的轨迹.最后给出了仿真实例说明本文结论的有效性.     

基于模糊不确定观测器的四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性的四旋翼飞行器,提出了一种基于模糊不确定观测器（Fuzzy uncertainty observer,FUO）的自适应动态面轨迹跟踪控制方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、姿态角和角速率三个动态子系统,使得各子系统虚拟控制器能够充分考虑欠驱动约束;采用一阶低通滤波器重构虚拟控制信号及其一阶导数,实现四旋翼跟踪控制设计的迭代解耦;设计了一种模糊不确定观测器,用以估计和补偿未知外界扰动与系统不确定性,从而确保闭环系统的稳定性和跟踪误差与其他系统信号的一致有界性.仿真研究验证了所提出的控制方法的有效性和优越性.     

一类多变量Hammerstein模型的参数辨识方法

通过对系统输入信号的设计,使Hammerstein系统输出只反映系统的线性动态,并将非线性部分的静态影响有效地分离掉.利用最小二乘辨识得到系统的线性动态模型.基于此模型并依据系统的测量输出重构系统的中间输入,进而可估计出非线性部分的参数,据此给出了多变量Hammerstein系统辨识的动态分离方法.仿真结果表明所提出的方法是有效的.     

基于模糊动态模型的多变量系统模糊控制

采用模糊动态模型对多变量复杂非线性系统进行模糊控制.首先针对局部线性动态模型设计状态反馈控制器,然后利用模糊推理确定整个系统的控制;在一系列局部模型通过模糊隶属函数连接得到的连续的全局模型中,全面考虑其它关联子系统对标称线性系统的摄动,并利用大系统分散控制关联稳定性的概念和方法,得到了闭环模糊系统稳定的充分条件.仿真例子验证了该设计方法的正确性.     

混合励磁电机系统输入输出解耦和线性化

讨论混合励磁电机系统的输入输出解耦和线性化问题.根据机电动力学原理,导出了混合励磁电机系统在与转子同步旋转的d-q坐标系中的动态方程.应用非线性系统几何理论,通过非线性状态反馈和坐标变换,实现了混合励磁电机系统的输入输出解耦控制和完全线性化.将原系统分解为3个线性子系统：d轴磁链子系统、q轴磁链子系统和转速子系统.仿真结果表明,基于输入输出线性化控制设计的混合励磁电机控制系统具有良好的动态性能.     

高超音速BTT巡航飞行器变结构控制系统设计

针对高超音速BTT巡航飞行器气动参数变化大,动力学特性具有气动、惯性交叉耦合和运动学耦合的特点,采用了基于反馈线性化和变结构理论的控制器设计方法.首先利用时间尺度理论将控制系统分为快变量和慢变量两个子系统,然后应用动态逆反馈分别对子系统进行线性化解耦,最后根据线性变结构理论单独设计各通道控制器.仿真结果显示基于方法设计的姿态控制器可以确保对指令跟踪的精确性和鲁棒性,姿态指令跟踪无静差,响应超调量小于10%.     

低速行驶重型车辆的动力学系统建模与非线性控制

考虑低速行驶工况下的重型车辆，本文建立其纵向行驶驱/制动系统的非线性动力学方程. 在此基础上采用反馈线性化方法将驱/制动工况下的非线性系统转化为线性可控正则型，并针对制动工况下非线性系统存在的控制时滞，提出一种基于非线性SMITH 预估方法的反馈线性化变换，该变换在有效补偿控制时滞同时，实现了制动系统的线性可控正则型转换. 最后，分别基于驱/制动系统的线性可控正则型设计跟踪控制器，实现了车辆低速工况的加/减速度精确跟踪控制.     

Composite nonlinear feedback control for linear singular systems with input saturation

This paper investigates the composite nonlinear feedback (CNF) control technique for linear singular systems with input saturation. First, a linear feedback control law is designed for the step tracking control problem of linear singular systems subject to input saturation. Then, based on this linear feedback gain, a CNF control law is constructed to improve the transient performance of the closed-loop system. By introducing a generalized Lyapunov equation, this paper develops a design procedure for constructing the CNF control law for linear singular systems with input saturation. After decomposing the closed-loop system into fast subsystem and slow subsystem, it can be shown that the nonlinear part of the CNF control law only relies on slow subsystem. The improvement of transient performance by the proposed design method is demonstrated by an illustrative example.     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

A novel approach to control of nonminimum-phase nonlinear systems

We present an approach to control of nonminimum-phase multiple-input-multiple-output (MIMO) nonlinear systems based on a singular perturbation-like technique. First, we show that a MIMO nonlinear system can be converted into a singularly perturbed system through magnitude and time-scaling transformation. In particular, the proposed transformation technique can make the hidden or internal dynamics behave like a fast subsystem. However, the fast subsystem takes a weakly controllable form, which implies that a small positive low-gain parameter multiplies the control input in the fast subsystem. For this reason, the well-known integral manifold approach is then utilized to decompose the resulting singularly perturbed system into two subsystems in separate timescales, each of which is of a lower dimension and, more importantly, controllable in the sense that the control input will explicitly appear in the boundary-layer system. The proposed method is particularly useful to make the input-output dynamic characteristics of a decouplable nonminimum-phase nonlinear system decoupled and linear.     

On the largest feedback linearizable subsystem

A feedback invariant set of integers is associated with any nonlinear multivariable system which is linear with respect to the inputs: it is shown to be the set of controllability indices of the largest feedback linearizable subsystem, i.e. the largest subsystem which can be made locally linear and controllable by means of nonsingular feedback transformations.     

互联大系统动态输出反馈多重叠鲁棒分散关联镇定

针对一类具有网型拓扑结构的互联大系统,提出一种动态输出反馈多重叠鲁棒分散关联镇定方法.该方法将系统状态空间加以扩展,在扩展空间中将其分解为按循环逆序排列的一系列两两子系统对,并为每个子系统对分别设计使其关联稳定的鲁棒分散动态输出反馈控制器,将这些多重叠设计的控制器再收缩回原空间,实现控制律的协调.将该方法应用到一个四区域网型电力系统控制设计中,仿真结果验证了所提出方法的可行性和优越性.     

Global and semi-global stabilizability in certain cascade nonlinearsystems

This paper addresses the issue of global and semi-global stabilizability of an important class of nonlinear systems, namely, a cascade of a linear, controllable system followed by an asymptotically (even exponentially) stable nonlinear system. Such structure may arise from the normal form of “minimum phase” nonlinear systems that can be rendered input-output linear by feedback. These systems are known to be stabilizable in a local sense. And, in some cases, global stabilizability results have also been obtained. It is also known, however, that when the linear “connection” to the nonlinear system is nonminimum phase, i.e,, it has zeros with positive real part, then global or semi-global stabilizability may be impossible. Indeed, it has been shown that for any given nonminimum phase linear subsystem, there exists an asymptotically stable nonlinear subsystem for which the cascade cannot be globally stabilized. We expand on the understanding of this area by establishing, for a broader class of systems, conditions under which global or semiglobal stabilization is impossible for linear and nonlinear feedback     

Nonlinear feedback control of flexible joint manipulators: a singlelink case study

A nonlinear feedback control for a flexible joint manipulator is investigated. It is shown that if the elastic (parasitic) modes are weakly observable from the output of the system, a state-space coordinate transformation and a static state feedback and control space transformation will turn the flexible system into a linear controllable and observable system. In contrast, if the parasitics are strongly observable, a dynamic state feedback is required for input-output linearization. Numerical simulations for a single link flexible joint manipulator are reported, illustrating the application of the methodology