PMSM伺服系统的自适应反步滑模控制器设计

针对负载转矩未知的永磁同步电机伺服系统的控制问题,本文提出了一种改进的自适应反步滑模位置跟踪控制方法。根据反步递推原理,选取合理的Lyapunov函数和虚拟控制变量,得到一个新的负载转矩自适应估计方法。该方法采用负载转矩自适应律近似一个非线性的降阶扰动观测器,使负载转矩估计值能够快速准确地收敛到期望值。通过将自适应反步法与自适应滑模控制结合,增强了系统的抗干扰性能,采用的自适应滑模趋近律很好地削弱了系统抖振。利用Lyapunov稳定性定理,证明了系统的全局渐近稳定性,最后在LINKS-RT实验平台上对本文提出的控制方案进行实验验证。实验结果表明,该方法很好地实现了永磁同步电机控制系统的快速渐近位置跟踪控制,具有良好的抗负载扰动性能,控制方案有效实用。     

临近空间飞行器的自适应积分滑模容错控制

为提高临近空间飞行器的安全性和可靠性,针对飞行器中未知的执行器故障,提出了一种自适应积分滑模容错控制方法。设计积分滑模面,使滑动模态运动起始于系统的初始状态,进一步增强系统的鲁棒性。构造自适应滑模容错控制律,处理执行器故障的影响。在自适应律中定义一个非线性函数,利用积分滑模面的动态变化检测故障的发生,并激发自适应律实现控制增益的自动调整。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的渐近稳定性。仿真验证在临近空间飞行器的纵向动力学模型上进行,结果表明该方法具有期望的容错跟踪性能。     

多约束导引控制一体化的自适应鲁棒滑模设计方法

在攻击机动目标的末制导段, 为使舰炮制导炮弹能够同时满足攻击角、视线角速率测量受限、执行器控制饱和等多项约束, 基于自适应鲁棒控制与动态面滑模设计了一种导引控制一体化设计方法. 首先, 在纵平面内, 建立了弹体的导引控制一体化设计模型. 然后, 设计扩张状态观测器迅速准确地估计出视线角速率与目标机动等未知干扰. 其次, 运用自适应指数趋近律设计了非奇异终端滑模, 以确保视线角跟踪误差与视线角速率在有限时间内收敛至零. 进而, 结合自适应鲁棒项构造动态面滑模与虚拟控制量用以镇定串级系统并削弱变结构项的抖振. 进一步地, 通过设计自适应Nussbaum增益函数, 较好地补偿了由舵机偏转受限引入的控制饱和非线性问题. 运用Lyapunov稳定性理论严谨地证明了终端视线角跟踪误差、视线角速率的有限时间收敛性, 以及系统的一致最终有界性. 仿真实验表明, 所提出的设计方法能够使舰炮制导炮弹在打击具有不同机动形式的目标时, 均具备较好的导引控制性能.     

基于自适应终端滑模控制器的机械手跟踪控制

针对具有不确定性的机械手轨迹跟踪控制问题,提出一种自适应二阶终端滑模控制器设计方法。设计一类非线性不确定系统的自适应二阶终端滑模算法,使得不连续符号函数包含在控制微分项,实际控制作用连续;采用自适应律克服不确定性上界未知问题,基于Lyapunov方法证明系统稳定性;针对机械手轨迹跟踪问题,基于所提出控制方法设计机械手自适应终端滑模控制方案;通过对双关节机械手轨迹跟踪仿真研究,验证所提出控制策略的有效性。     

带输入饱和的欠驱动水面船参数自适应滑模控制

针对具有外部干扰和输入饱和的欠驱动水面船路径跟踪控制问题,本文提出一种基于饱和补偿辅助系统的参数自适应滑模控制方法。通过以路径上虚拟参考目标点为原点,引入Serrete-Frenet移动坐标系,在此基础上引入切向速度作为虚拟控制输入;结合饱和辅助系统设计具有切换增益和sigmoid函数边界层厚度的参数自适应滑模控制器。此外,利用李雅普诺夫理论证明了闭环系统的全局稳定性,保证跟踪误差收敛到零的任意小领域内。通过与常规滑模控制对比,数值仿真验证所提控制律的有效性和自适应性,不仅可以减弱常规滑模中的"抖振"现象,同时补偿外部干扰和输入饱和误差提高跟踪精度。     

自主水下航行器轴向运动的自适应反演滑模控制

研究了自主水下航行器在未知海流作用下的轴向运动跟踪控制问题,采用非线性反演设计技术,引入自适应机制在线估计未知海流速度和模型参数,用滑模控制克服系统中的未建模动态特性,保证了轴向位置跟踪误差的全局渐近稳定性。仿真结果表明,该自适应反演滑模控制具有良好的鲁棒性和自适应性。     

空间可变翼飞行器小翼伸缩自适应滑模控制

近空间可变翼飞行器具有可伸缩小翼结构,针对小翼伸出和收回状态变化过程中,存在参数摄动,可能造成飞行器状态以及控制量的大范围跳变,影响飞行器的稳定性的问题,本文提出一种快速双幂次趋近律滑模与神经网络结合的自适应滑模控制方法。应用该方法设计快速双幂次趋近律滑模控制器,并利用神经网络充分逼近复杂的非线性关系能力,得到小翼伸缩全过程的滑模趋近律。对比分析传统滑模控制方法和快速双幂次滑模与神经网络结合自适应控制效果,仿真结果表明快速双幂次滑模控制与神经网络结合方法具有良好的控制效果。     

非线性系统自适应鲁棒控制器设计

针对非线性系统模型参数具有不确定性的问题,利用二型模糊逻辑控制器特别适合于解决不确定性问题的优点和特点,提出二型模糊自适应滑模控制方法,设计了具有自适应和鲁棒性的非线性系统控制器。首先对非线性系统进行精确线性化,然后选取合适的滑模面,并设计了二型模糊逻辑系统,通过李亚普诺夫稳定性理论分析,得到自适应控制律。通过仿真实例验证,对比分析并验证了该控制方法能够克服不确定性参数的干扰,从而更好地控制非线性系统,使其具有一定的自适应性和鲁棒性。     

海流干扰下的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

为解决存在海流干扰和模型不确定性情况下欠驱动自主水下航行器(AUV)的三维路径跟踪控制问题,首先在Serret-Frenet坐标系下,基于虚拟向导建立了跟踪误差模型.然后,在运动学控制器中基于李雅普诺夫(Lyapunov)理论和反步法设计具有自适应律的虚拟向导和一种改进的积分视线法(ILOS)导引律,克服了海流的干扰并减少了超调.应用反步自适应滑模控制(BASMC)理论设计动力学控制器,保证了系统的稳定性和鲁棒性.最后,应用非线性级联理论证明了整个控制系统的闭环稳定性.仿真结果表明:基于AUV与流体的相对速度来实现的控制律,便于工程应用.该控制器能够有效克服海流和模型不确定的影响,实现对三维路径的跟踪.     

基于遗传算法的水下机器人滑模变结构控制策略

针对水下机器人需快速、准确跟踪目标的要求,在分析其非线性四自由度动力学模型的基础上,运用李雅普诺夫稳定性分析法,提出一种基于遗传算法的水下机器人滑模变结构控制方法。设计遗传-滑模控制器,利用遗传算法对控制器参数进行优化以消减抖振,并通过动态选优,选取全局最优解,进而提高收敛速度,实现运动状态的实时调整。仿真结果表明,该控制方法能够高效地获取全局最优解,并具有较强的自适应能力,能够有效地实现水下机器人的轨迹跟踪。     

带输入饱和的欠驱动水面船参数自适应滑模控制

针对具有外部干扰和输入饱和的欠驱动水面船路径跟踪控制问题,提出一种基于饱和补偿辅助系统的参数自适应滑模控制方法,无需确知不确定项的界。以路径上虚拟参考目标点为原点,引入Serrete-Frenet移动坐标系,在此基础上引入切向速度作为虚拟控制输入;然后结合饱和辅助系统设计具有切换增益和sigmoid函数边界层厚度的参数自适应滑模控制器。此外,李雅普诺夫理论证明了闭环系统的全局稳定性,保证跟踪误差收敛到零的任意小领域内。通过对比数值仿真验证所提控制律的有效性和自适应性,不仅可以减弱常规滑模中的“抖振”现象,同时补偿外部干扰和输入饱和误差提高跟踪精度。     

基于非线性收敛因子的Terminal滑模制导律设计

水下动能武器在末端时刻攻击目标具有作战范围小,时间短的特性。传统滑模变结构制导律通常选取线性滑动平面,收敛速度慢,对收敛时间没有约束,不能满足系统快速收敛到平衡状态。针对这一问题,提出一种改进的Terminal滑模变结构控制方法,通过引入非线性因子,使系统跟踪误差快速收敛到零,保证系统以期望的有限时间收敛到平衡状态。采用Terminal滑模面结合指数趋近律设计有限时间快速收敛制导律,该制导律即能满足系统快速性收敛要求,又能离线计算收敛时间。理论分析表明:所设计的制导律满足系统稳定性要求,并仿真验证了其快速收敛的有效性,较传统变结构制导方法收敛速度更快,具有更强的鲁棒性。     

并联机器人在任务空间的非线性自适应控制

针对并联机器人系统本身的结构特点,在任务空间提出了一种非线性自适应控制方案.与已有的自适应控制方案相比,由于充分考虑了惯性矩阵中参数的特点,在设计中不再采取模型的不确定参数线性化的变换,控制律及自适应律的设计也因被估参数的减少变得较为简单.运用Lyapunov方法分析了系统稳定性并给出了系统稳定性条件.该方法能够保证系统的终端位置及速度的全局渐近稳定.最后,仿真结果验证了该方法的有效性.     

一类改进的无模型自适应数据驱动滑模控制

针对目前大多数自适应离散变结构滑模控制存在的对受控系统数学模型依赖性和未建模动态问题,提出一类离散时间非线性系统的无模型自适应滑模控制,并对其控制律进行改进。该控制策略本质上属于一种数据驱动控制方法,控制器的设计仅依赖于系统的输入输出数据,不需要任何被控系统模型信息。理论分析表明:该控制算法提高了伪偏导数估计值信息的利用率,加快了系统收敛速度,并通过严格数学推导验证了控制系统的稳定性。通过对直线电机位置和速度信息跟踪的仿真结果表明,该无模型自适应滑模控制具有较好的控制性能,跟踪精度大大提高,鲁棒性增强。     

3D刚体摆姿态稳定性的自适应滑模控制

针对3D刚体摆的倒立平衡位置处的姿态稳定性问题,考虑系统的惯量不确定性,根据3D刚体摆的约化姿态模型建立滑模面,设计相应滑模控制器,并引入自适应滑模控制,用于处理参数模型不确定的情况。李雅普诺夫稳定性分析表明提出的自适应滑模控制律能够确保3D刚体摆姿态控制系统渐近稳定。仿真实验验证了方法的有效性。     

考虑未知死区非线性的自适应模糊神经UUV航迹跟踪控制

针对无人水下航行器(unmanned underwater vehicles, UUV)在航迹跟踪控制中存在未知死区非线性和工作环境不确定性的问题,提出一种鲁棒自适应自组织模糊神经控制策略,采用滑模趋近律控制框架和自组织模糊神经网络逼近器在线估计系统未知状态和进行参数的自适应,并采用有限增益鲁棒控制器补偿重构误差。根据李雅普诺夫稳定性理论分析证明所有参数和跟踪状态均有界,并且当时间趋向于无穷大时,跟踪误差及其导数都趋向于零且闭环系统的信号有界。通过与已有控制策略对比仿真表明,该控制策略具有先进性和有效性,对无人水下航行器设计具有指导意义。     

考虑未知死区非线性的自适应模糊神经UUV航迹跟踪控制

针对无人水下航行器(unmanned underwater vehicles, UUV)在航迹跟踪控制中存在未知死区非线性和工作环境不确定性的问题,提出一种鲁棒自适应自组织模糊神经控制策略,采用滑模趋近律控制框架和自组织模糊神经网络逼近器在线估计系统未知状态和进行参数的自适应,并采用有限增益鲁棒控制器补偿重构误差。根据李雅普诺夫稳定性理论分析证明所有参数和跟踪状态均有界,并且当时间趋向于无穷大时,跟踪误差及其导数都趋向于零且闭环系统的信号有界。通过与已有控制策略对比仿真表明,该控制策略具有先进性和有效性,对无人水下航行器设计具有指导意义。     

一种有攻击角约束的三维有限时间导引律

为解决目标加速度信息未知且存在攻击角约束的三维末端制导问题,提出一种基于非线性观测器的有限时间导引律,使得弹目视线角可在有限时间内收敛至期望攻击角.首先,提出一类非线性观测器,利用导引系统中易测量的位置和速度等信息来估计目标加速度,理论分析给出了观测器稳定的充分条件;然后,利用目标加速度估计值,基于有限时间稳定理论和滑模变结构控制理论设计一种有限时间导引控制律,使三维末端导引系统的弹目视线角可以在有限时间内收敛到期望攻击角.通过分析观测误差对导引系统有限时间特性的影响,表明该方法满足工程实践需求;最后,分别对加速度为匀变速和变加速的两类变速目标进行了数值仿真,并与传统比例导引法进行了对比,仿真结果验证了所提方法的可行性与有效性.研究表明,利用非线性观测器可以稳定地估计目标加速度信息,进而利用该观测器给出的目标加速度信息设计滑模变结构有限时间三维导引律,利用该方法可以有效地解决三维末端制导过程中存在目标加速度信息未知且存在攻击角约束的难题.     

一类非匹配不确定纯反馈非线性系统新型变幂次趋近律滑模控制

针对以熔化极气体保护焊（gas metal arc welding,GMAW）为代表的一类非匹配不确定纯反馈非线性系统的输出问题,提出一种基于变幂次趋近律的滑模控制方法。首先,采用滑模微分器得到含系统非匹配不确定性干扰的输出一阶导数。得益于终端滑模有限时间稳定的性能,该方法具有估计精度高、估计误差收敛速度快的优点。然后,提出一种新型的变幂次趋近律,并证明在相同增益下,其趋近速度均快于现有各种趋近律,且具有自适应调节趋近速度的能力,既保证了在全局范围内系统轨迹有限时间趋近滑模面,又避免了在滑模面附近出现抖振。最后,采用变幂次趋近律滑模变结构控制方法和传统趋近律滑模变结构控制方法分别对带有非匹配干扰的GMAW中的弧长进行控制仿真,并对比弧长跟踪效果,分析稳态误差。结果表明,变幂次趋近律滑模变结构方法能够有效的提高系统收敛的快速性,滑模控制方法对于非匹配不确定非线性系具有强鲁棒性。     

卫星姿态调节的滑模PID控制器设计

针对刚体卫星的姿态调节问题,提出了一种滑模PID控制器设计方法.根据李亚普诺夫方法,推导出了采用PID形式的切换面的滑模PID控制器.在卫星转动惯量参数存在不确定性和存在外干扰时,该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.最后对卫星姿态控制系统进行了仿真研究.结果表明,所设计的控制方案在实现姿态调节控制的同时,对于卫星转动惯量的摄动及外部扰动力矩是鲁棒的.