具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程度,设计带有输入约束的控制器,模拟饱和输入现象,实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制;设计风扰观测器,实现对外部未知扰动的估计,有效跟踪外部持续扰动,并由此设计扰动补偿律;围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律,作用于四旋翼姿态系统,实现四旋翼无人机姿态的稳定控制;最后进行数值仿真,设置风扰观测器参数λi为0.25,预测时域Np为10,控制时域Nc为9,仿真测试本文方法与不带观测器的非线性预测控制方法（NMPC）,验证本文控制方法的有效性和优越性。     

移动机器人的线性自抗扰控制设计与实验验证

为了实现移动机器人的高精度轨迹跟踪控制, 设计了一种基于扩张状态观测器的扰动抑制方法和相应的 实验验证平台. 首先, 考虑到不确定扰动如车轮纵向和侧向滑动对移动机器人系统控制性能的影响, 建立了受扰下 的运动学模型; 然后, 基于扩张后的运动学模型设计了扩张状态观测器来估计系统扰动; 接着, 利用扰动估计构建 了线性自抗扰控制器, 并利用Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性; 同时, 基于MATLAB/Simulink软件和微控制 器搭建了所推荐控制算法的实验验证平台. 最后, 仿真和实验结果都验证了所提出控制方法的有效性.     

双臂协调搬运过程中基于变阻抗模型的位置/力混合控制

针对双臂协调搬运中同时存在外部干扰和内力约束的复杂耦合运动,提出了一种基于变阻抗模型的内外位置/力混合控制策略.首先,分析了闭链系统下面向被操作对象的运动规划和动力学模型.然后,根据协调搬运特性将任务空间正交解耦为外环的位置自由子空间和内环的力约束子空间,对于位置子空间中的外部干扰采用阻抗模型进行轨迹跟踪,对于力约束子空间中的内力约束采用变阻抗模型进行力跟踪.最后,在搭建的仿真环境和物理环境中对双臂协调搬运物体进行实验验证,实验结果表明所提算法对于外部干扰表现出柔顺性并满足内力约束条件.     

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.     

基于扰动观测器的机器人自适应神经网络跟踪控制研究

为解决机器人动力学模型未知问题并提升系统鲁棒性,本文基于扰动观测器,考虑动力学模型未知的情况,设计了一种自适应神经网络（Neural network,NN）跟踪控制器.首先分析了机器人运动学和动力学模型,针对模型已知的情况,提出了刚体机械臂通用模型跟踪控制策略;在考虑动力学模型未知的情况下,利用径向基函数（Radial basis function,RBF）神经网络设计基于全状态反馈的自适应神经网络跟踪控制器,并通过设计扰动观测器补偿系统中的未知扰动.利用李雅普诺夫理论证明所提出的控制策略可以使闭环系统误差信号半全局一致有界（Semi-globally uniformly bounded,SGUB）,并通过选择合适的增益参数可以将跟踪误差收敛到零域.仿真结果证明所提出算法的有效性并且所提出的控制器在Baxter机器人平台上得到了实验验证.     

具有未知负载扰动的水井钻机电液伺服系统无模型自适应控制

针对电液伺服系统在水井钻机推进工况下存在的参数不确定以及未知负载扰动突变等非线性因素,提出了基于径向基(RBF)神经网络扰动观测器的无模型自适应控制方法.首先,通过改进的无模型自适应控制动态线性化方法,将被控系统线性化为与输入输出相关的增量形式,并将未知负载扰动合并到一个非线性项中;然后,设计了径向基神经网络扰动观测器对含有未知负载扰动的非线性项进行估计,作为对未知扰动的补偿;最后,设计了时变参数估计律,通过在线调整伪偏导数,给出了电液伺服系统的控制更新律.仿真结果表明,所设计的控制器能够对未知负载扰动突变进行补偿,并能确保跟踪误差有界收敛.     

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.     

考虑输出约束的冗余驱动绳索并联机器人预设性能控制

提出一种考虑输出约束的冗余驱动绳索并联机器人(Redundantly-actuated cable driving parallel robots, RCDPRs)预设性能有限时间控制算法. 首先, 采用Newton-Euler方程推导系统动力学模型, 并建立绳索拉力优化模型保证系统正常工作; 其次, 将输出约束问题转化为位置跟踪误差的坐标变换问题, 设计给定时间衰减函数与非对称变换函数, 将约束形式的跟踪误差转化为无约束变量, 实现给定时间的输出约束; 然后, 针对滑模控制的抖振问题, 在预设性能控制中采用模型不确定与扰动估计器进行扰动估计, 并通过自适应方法对扰动估计误差进行补偿; 以此为基础, 提出一种基于精度驱动且在分段点处三阶连续的终端滑模面进行控制算法设计; 最后, 采用Lyapunov函数证明算法的有限时间收敛特性, 并以7自由度冗余驱动绳索并联机器人为控制对象进行仿真研究, 对算法进行验证.     

输出约束的有限时间自适应区间二型模糊输出反馈PMSM伺服控制

针对永磁同步电机驱动的伺服系统在不确定性摩擦和未知负载的影响下难以达到高精度的控制效果,提出一种基于区间二型模糊系统的带有输出约束的有限时间自适应输出反馈控制方案.首先,构建一个基于非线性扰动观测器的区间二型模糊状态观测器,分别完成对于未知扰动和速度的估计,区间二型模糊系统完成对于非线性摩擦的逼近;然后,在此基础上,结合滤波误差补偿机制和有限时间技术,引入障碍Lyapunov函数和反步控制技术设计输出约束的自适应区间二型模糊输出反馈控制器;最后,根据Lyapunov稳定性理论提出严格的稳定性分析,保证闭环系统的所有信号均是有限时间内有界的,并通过数值仿真和实验验证了所提出方法的有效性.     

基于干扰观测器的高速列车RBF自适应滑模控制方法

针对高速列车动力学模型的不确定性和存在外部干扰难以实现高速列车对目标轨迹的高精度跟踪控制的问题,设计了一种基于非线性干扰观测器的RBF神经网络自适应滑模控制方法。首先,针对高速列车模型非线性系统的不确定性问题,设计自适应RBF神经网络鲁棒控制器进行跟踪控制,基于RBF神经网络的特性设计神经网络权值自适应律,对列车模型中的未知函数进行估计。其次,针对高速列车跟踪控制外部干扰问题,采用指数收敛干扰观测器进行干扰补偿,提高高速列车对目标轨迹追踪的抗干扰能力。最后,李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性分析保证了闭环系统的渐近稳定性,以秦沈客运专线为仿真对象。结果表明,所设计的控制方法不仅解决了列车模型未知阻力部分的自适应逼近,而且在此基础上引入干扰观测器对外部非线性干扰进行补偿实现了对期望轨迹的高精度快速跟踪。     

基于高阶观测器和干扰补偿控制的模型预测控制方法

针对状态不可测、外部干扰未知, 并且状态和输入受限的离散时间线性系统, 将高阶观测器、干扰补偿控制与标准模型预测控制(Model predictive control, MPC)相结合, 提出了一种新的MPC方法. 首先利用高阶观测器同步观测未知状态和干扰, 使得观测误差一致有界收敛;然后基于该干扰估计值设计新的干扰补偿控制方法, 并将该方法与基于状态估计的标准MPC相结合, 实现上述系统的优化控制. 所提出的MPC方法克服了利用现有MPC方法求解具有外部干扰和状态约束的优化控制问题时存在无可行解的局限, 能够保证系统状态在每一时刻都满足约束条件, 并且使系统的输出响应接近采用标准MPC方法控制线性标称系统时得到的输出响应. 最后, 将所提控制方法应用到船舶航向控制系统中, 仿真结果表明了所提方法的有效性和优越性.     

输入饱和的充液航天器抗干扰有限时间滑模控制

研究三轴稳定充液航天器姿态控制过程中存在外部未知干扰、参数不确定和输入饱和的问题,提出一种抗干扰有限时间滑模控制的姿态机动控制方法.将部分充液贮箱内液体燃料晃动等效为球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合动力学方程.首先,设计有限时间积分滑模干扰观测器,保证控制系统中集总干扰可以在有限时间内被估计;然后,基于...     

基于未知动态观测器双惯量伺服系统低频主动谐振抑制

针对双惯量伺服系统存在的机械谐振, 本文提出了一种基于扰动观测器的滑模主动低频谐振控制方法. 利 用可测量的电机端的位置信号, 对其进行滤波操作得到位置的滤波变量, 根据不变流形原理设计未知扰动观测器, 实现对传递力矩的在线估计, 并将估计值融入到控制器设计中对其进行补偿. 为了消除传统滑模存在颤振现象, 基 于正切函数提出了一种新颖滑模面设计方法. 在此基础上, 设计了滑模控制器实现了对期望信号的准确跟踪, 并利 用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统稳定性. 最后通过实验对比, 验证了本文提出的控制策略有效性, 此外该 算法建构简单不需要计算电机加速度的信息, 利于在实际中应用.     

Robust Tracking Control for Self-balancing Mobile Robots Using Disturbance Observer

In this paper, a robust tracking control scheme based on nonlinear disturbance observer is developed for the self-balancing mobile robot with external unknown disturbances. A desired velocity control law is firstly designed using the Lyapunov analysis method and the arctan function. To improve the tracking control performance, a nonlinear disturbance observer is developed to estimate the unknown disturbance of the self-balancing mobile robot. Using the output of the designed disturbance observer, the robust tracking control scheme is presented employing the sliding mode method for the selfbalancing mobile robot. Numerical simulation results further demonstrate the effectiveness of the proposed robust tracking control scheme for the self-balancing mobile robot subject to external unknown disturbances.      

Adaptive disturbance observer‐based control for stochastic systems with multiple heterogeneous disturbances

Antidisturbance control problem is discussed for stochastic systems with multiple heterogeneous disturbances, which include the white noise and the disturbance with unknown frequencies and amplitudes. An adaptive disturbance observer is designed to estimate the disturbance with unknown frequencies and amplitudes, based on which, an adaptive disturbance observer‐based control scheme is proposed by combining adaptive technique and linear matrix inequality method. It is proved that the closed‐loop system is asymptotically bounded in mean square when multiple heterogeneous disturbances exist simultaneously and that the equilibrium is globally asymptotically stable in probability as additive disturbance disappears. Finally, two simulation examples, including a wind turbine system, are given to show the effectiveness of the proposed scheme.     

基于干扰观测器的终端滑模控制研究

针对一类非线性不确定系统,提出一种带干扰观测器的终端滑模控制TSMC方案.在不考虑外部干扰的影响下,设计了终端滑模控制,保证系统状态在有限时间内收敛到零;当存在干扰时,构造了非线性干扰观测器系统,以在线逼近未知外部干扰,消除其影响.考虑输人通道的不确定性,采用自适应方法在线逼近不确定的上界,并采用Lyapunov方法严格证明了自适应闭环系统的稳定性.对一级倒立摆系统进行仿真,仿真结果表明了所设计控制方案的有效性.     

考虑测量不确定和输入饱和的充液航天器自适应鲁棒控制

本文研究了三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在测量不确定,外部未知干扰,参数不确定和控制输入饱和的鲁棒自适应姿态机动控制问题.建模过程中,将晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出充液航天器的耦合动力学方程.提出了一种将反步控制方法结合非线性干扰观测器和指令滤波器的鲁棒饱和输出反馈复合控制策略,该控制策略不仅能继承反步控制方法的优点,而且通过引入非线性干扰观测器实现对未知外部干扰,参数不确定以及测量不确定的补偿,还能利用指令滤波器处理控制力矩输入饱和的不利影响.基于Lyapunov稳定性分析方法证明了系统状态变量的渐进稳定性.仿真结果验证了提出控制方法的有效性和鲁棒性.     

基于改进型非线性干扰观测器的爬壁机器人轨迹跟踪

针对爬壁机器人建模不准确及容易受外部扰动的影响造成位置及姿态误差的问题,提出了一种基于改进型非线性干扰观测器的轨迹跟踪控制方案.首先通过反演控制设计了一个运动学控制器为机器人动力学控制提供参考质心速度与角速度.其次应用改进型非线性扰动观测器作为前馈控制对建模误差及外部扰动进行估计,并保证扰动误差以指数形式收敛.最后针对...     

基于扰动观测器的PMSM同步协调滑模控制

针对在负载扰动情况下多永磁同步电机控制系统出现电机转速不同步的问题,提出了基于扰动观测器的永磁同步电机同步协调滑模控制策略。从单电机高性能控制策略和三电机耦合结构角度出发,首先,在矢量控制基础框架下,设计了基于非线性负载转矩观测器的积分型滑模速度控制器,构成了单电机高性能矢量控制调速系统;其次,提出了一种基于PI速度补偿器的偏差耦合控制结构,相比传统的偏差耦合控制结构能较好地实现在负载扰动下三电机的转速同步协调运行。最后通过仿真验证了方法的有效性。