带有非匹配扰动的连铸结晶器振动位移系统自适应反步滑模控制

针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在非匹配的参数不确定性、干扰等问题,提出一种基于非线性扩张状态观测器(ESO)的自适应反步滑模控制方法.首先,基于双曲正切函数和高增益构造ESO对系统中的非匹配扰动进行估计.然后,利用反步法将非匹配扰动视为匹配扰动进行处理, 并在每一步设计自适应积分滑模控制器,以消除非匹配扰动对系统的影响.另外,在反步设计的后两步引入了积分滑模滤波器用于估计前一步虚拟控制律的导数.理论分析表明,所设计的ESO能够保证估计误差收敛到原点附近的小邻域内;所设计的控制器能够保证闭环系统所有信号有界,并且,通过选取适当的参数能够保证系统状态可渐近收敛到原点.最后,通过仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

可逆冷带轧机速度张力多变量耦合系统的建模及分散控制

针对具有多变量、非线性、强耦合和不确定性的可逆冷带轧机速度张力系统,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的全局积分滑模自适应反步分散控制方法.首先,采用机理建模方法,建立了相对完备的可逆冷带轧机速度张力多变量耦合系统的数学模型.其次,将各子系统的耦合项和不确定项看成外扰,通过构造的ESO对其进行动态观测,并分别引入所设计的全局积分滑模自适应反步控制器中进行补偿,速度张力系统实现了有效的动态解耦和协调控制.理论分析表明,所提出的控制方法能够保证滑模面的渐近稳定和闭环系统的渐近跟踪性能.最后,基于某1422mm可逆冷带轧机速度张力系统的实际数据进行仿真,结果验证了所提方法的有效性.     

直流降压变换器的降阶扩张状态观测器与滑模控制设计与实现

本文针对直流降压变换器的负载电阻扰动和输入电压变化等系统不确定因素对输出电压的影响,提出了基于降阶扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+RESO).首先设计降阶扩张状态观测器对系统状态,负载电阻扰动和输入电压变化进行估计,然后基于估计值利用滑模控制技术设计控制器,实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性.值得注意的是,不同于文[1]所提出的基于扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+ESO),本文所提出的方法采用降阶扩张状态观测器,实现简单,且无需电流传感器,减小了实际应用的成本.利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性.仿真和实验结果表明,与已有的基于扩张状态观测器的滑模控制方法相比,所提出的控制方法更好地改善了系统的跟踪性能和对干扰和不确定性的鲁棒性能,且减少了成本,但是牺牲了系统稳态性能.     

基于ESO的无速度传感器PMSM系统自适应滑模FCS-MPC

为了提高三相永磁同步电机(PMSM)控制系统的性能,基于反双曲正弦函数的扩张状态观测器(ESO)技术,提出一种新颖的无速度传感器自适应滑模有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)策略,采用ESO技术构造PMSM系统转速和反电动势的观测器,实现对电机转速和反电动势快速准确估计.用带有负载ESO的自适应滑模控制作为系统的转速调节器,以提高系统的鲁棒性;利用基于快速矢量选择的FCS-MPC策略,达到减少转矩脉动、降低系统算法计算量的目的.仿真结果表明,基于ESO的无速度传感器自适应滑模FCS-MPC策略能够使PMSM系统可靠稳定运行,达到满意的转矩和转速控制效果.与基于积分型滑模面的自适应滑模FCS-MPC策略相比,所提出的控制策略能使系统具有良好的动态性能和抗负载干扰能力.     

基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能, 本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略. 论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型, 根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律, 设计了位置跟踪控制器, 所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器, 并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛. 为了进一步提高系统的抗扰动性能, 本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿. 然后, 文章对系统整体进行了稳定性证明. 最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证. 结果表明, 该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快, 对外部干扰具有强鲁棒性.     

永磁同步电动机新型自适应滑模控制

永磁同步电动机(PMSM)是多变量、强耦合、非线性时变系统, 对外界干扰及内部参数摄动较为敏感, 为提高系统的鲁棒性, 本文提出一种基于非线性滑模面的自适应滑模变结构控制方法. 根据复合非线性反馈控制理论, 为PMSM滑模控制系统设计非线性滑模面, 通过实时改变控制系统的阻尼系数来提高PMSM伺服系统的瞬态响应性能. 在PMSM伺服系统外界扰动及内部参数摄动的上下界未知的情况下, 采用自适应参数校正律来调节控制增益的大小, 改善了系统的抖振现象. 此外, 对电机的电流及转速进行了饱和限制, 使得所设计的伺服控制系统可用于大范围的位移跟踪. 仿真结果表明, 与基于线性滑模面的控制器相比较, 本文所设计的基于非线性滑模面的自适应滑模控制器使得电机转子位移能够更快且无超调的到达给定值, 且系统的抖振现象明显减弱.     

一种新的自适应模糊滑模控制器设计方法

对一类非线性系统提出一种新的自适应模糊滑模控制器设计方法。将自适应模糊控制与滑模控制有效地结合在一起,先用滑模控制使跟踪误差进入边界层内,然后启动自适应模糊控制器。该控制器可消除滑模控制器中出现的抖振,并可在存在模糊逻辑系统逼近误差情况下使系统跟踪误差小于预先给定的任意常数。仿真算例验证了所提出方法的有效性。     

电液伺服系统的多滑模鲁棒自适应控制

针对一类参数与外负载非匹配不确定的非线性高阶系统,提出了一种基于逐步递推方法的多滑模鲁棒自适应控制策略.应用逐步递推的多滑模控制方法简化了高阶系统的控制问题,同时在自适应控制中加入鲁棒控制的方法,以消除不确定性对控制性能的影响.首先利用逐步递推方法与状态反馈精确线性化理论,得出确定系统的多滑模控制器设计方法;然后基于Lyapunov稳定性分析方法,给出不确定系统的参数自适应律,及鲁棒自适应控制器的设计方法.本文把该控制策略应用到电液伺服系统的位置跟踪控制中,仿真结果显示,该控制方法具有较强的鲁棒性及良好的跟踪效果.     

基于扩张状态观测器的UCAV自适应滑模控制

针对固定翼UCAV（Unmanned Combat Aerial Vehicle）系统中存在的不确定性和外部扰动，设计了一种基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器用来抑制系统扰动，从而提高对于UCAV的控制性能。建立固定翼UCAV的六自由度非线性模型，针对姿态控制和速度控制分别设计扩张状态观测器对模型中难以精确测量的状态量和外部扰动进行估计，依据奇异摄动原理分别对姿态和速度设计自适应超扭曲滑模控制器，实现对UCAV的姿态和速度的跟踪控制。采用某型固定翼UCAV非线性模型对所设计的控制器进行仿真验证，并且与传统的自抗扰滑模控制方法进行了对比，仿真结果表明，基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器具有更小的超调量和稳态误差。     

基于嵌套自适应观测器的 连铸结晶器振动位移系统有限时间容错控制

针对连铸结晶器振动位移系统存在伺服电机驱动单元等执行器故障和负载转矩扰动问题, 本文提出一种基于嵌套自适应观测器的有限时间容错策略. 首先, 设计一种嵌套自适应观测器在线估计由执行器故障和负载转矩扰动构成的综合不确定项; 其次, 采用分层设计与终端滑模相结合的方法, 分别对位移子系统和电流环子系统设计全阶滑模控制器(FOSMC)和终端滑模控制器补偿综合不确定项, 并通过引入一阶低通滤波器来提高控制信号的连续性. 理论分析表明, 本文所提容错控制策略能够保证闭环系统所有状态有限时间稳定; 最后, 通过仿真对比研究验证了本文所提控制策略的有效性.     

基于ESO 的复合滑模面非奇异terminal 滑模控制

针对传统非奇异terminal 滑模控制存在的收敛缓慢和控制输入抖振的问题, 提出采用复合滑模面函数和扩张状态观测器的控制器设计方法. 首先, 结合复合滑模面, 采用分阶段控制律提高系统收敛速度; 然后, 在此基础上使用扩张状态观测器在线估计并补偿系统的不确定量, 以有效削弱系统未建模动力学导致的抖振; 最后, 分别证明了以上两种方法的有限时间收敛特性. 仿真结果验证了所提出方法的有效性, 体现了系统的快速收敛和强鲁棒性等特点.     

A novel adaptive nonsingular terminal sliding mode controller design and its application to active front steering system

Note that the amplitude of chattering existing in the sliding mode control method is proportional to the magnitude of the control gain. Therefore, the key issue to diminish the chattering is to decrease the value of sliding mode controller's gain to an acceptable minimal level defined by the so‐called reaching condition for the sliding mode's existence. For this reason, the nonsingular terminal sliding mode (NTSM) control method and the adaptive technique have been considered in this paper to develop a novel adaptive NTSM control method, which can be used to search the minimal value of the control gain automatically in the presence of the external disturbances. Meanwhile, the average value of a high‐frequency switching signal in the adaptive law can be provided by Arie Levant's differentiator rather than a low‐pass filter. The rigorous mathematical proof verifies that the system states can converge to the origin within a finite time under the proposed adaptive NTSM controller. Both the academic example and the practical application to an active front steering system are illustrated to show that the presented adaptive NTSM controller has better control performance than the conventional sliding mode controller.     

Reduced-order Generalized Proportional Integral Observer Based Continuous Dynamic Sliding Mode Control for Magnetic Levitation System with Time-varying Disturbances

In order to reduce the influence of time-varying disturbances for magnetic levitation system, we propose a reduced-order generalized proportional integral observer (RGPIO) based continuous dynamic sliding mode control scheme for magnetic levitation system in this paper. Unlike the popular extended state observer (ESO), it could deal with constant or slowing varying disturbances from theoretical point of view, the reduced-order generalized proportional integral observer (RGPIO) is designed to estimate the time-varying disturbances and system states, then the dynamic sliding mode surface is developed and deduce a continuous sliding mode controller (CSMC) for magnetic levitation system. Compared with ESO based continuous sliding mode controller, the proposed method not only ensures the position tracking accuracy, but also obtain better time-varying disturbance reject ability. Simulation and experimental results are also given to verify the effectiveness.

     

On Finite‐Time Stabilization of Active Disturbance Rejection Control for Uncertain Nonlinear Systems

This paper designs the active disturbance rejection control (ADRC) to achieve finite‐time stabilization for a class of uncertain nonlinear systems. The proposed control incorporates both an extended state observer (ESO) as well as an adaptive sliding mode controller. The ESO is utilized to estimate the full system states and the total uncertainties, and the adaptive strategy is incorporated to deal with the estimation errors. It is proved that, with the application of the proposed control law, semi‐global finite‐time stabilization can be achieved. Effectiveness of the proposed method is illustrated with a numerical example.     

基于扩张状态观测器的二质量系统非奇异快速终端滑模控制

针对含未知负载信息的二质量伺服系统,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的非奇异快速终端滑模控制方法.首先,利用电机侧位置信息设计有限时间扩张状态观测器估计系统的扰动,并将估计值融入到控制器中作为前馈项对系统的未知扰动进行补偿;然后,引入一种新型的滑模趋近律,该趋近律能够避免传统滑模控制中存在的奇异性问题,据此设计非奇异快速终端滑模控制器,保证系统状态在有限时间内收敛到原点,并根据李雅普诺夫稳定性理论分析闭环系统的稳定性;最后,通过仿真和实验验证所提出方法的优越性.结果表明,与传统的PID等控制相比较,所提出的基于扩张状态观测器的有限时间滑模控制方法能够提高系统的跟踪性能,并有效增强二质量伺服系统的抗扰动能力.     

Adaptive sliding mode control for discrete-time multi-input multi-output systems

In this paper, robust adaptive sliding mode tracking control for discrete-time multi-input multi-output systems with unknown parameters and disturbance is considered. The robust tracking controller is comprised of adaptive control and sliding mode control design. Bounded motion of the system around the sliding surface and stability of the global system in the sense that all signals remain bounded are guaranteed. If the disturbance and the reference signal are slowly varying with respect to the sampling frequency, the proposed sliding mode controller can reject the disturbance and output tracking can be approximately achieved. Simulation results are presented to illustrate the proposed approach.     

Nonsingular Terminal Sliding Mode Control of Robot Manipulators Using Fuzzy Wavelet Networks

This paper presents an adaptive nonsingular terminal sliding mode (NTSM) tracking control design for robotic systems using fuzzy wavelet networks. Compared with linear hyperplane-based sliding control, terminal sliding mode controller can provide faster convergence and higher precision control. Therefore, a terminal sliding controller combined with the fuzzy wavelet network, which can accurately approximate unknown dynamics of robotic systems by using an adaptive learning algorithm, is an attractive control approach for robots. In addition, the proposed learning algorithm can on-line tune parameters of dilation and translation of fuzzy wavelet basis functions and hidden-to-output weights. Therefore, a robust control law is used to eliminate uncertainties including the inevitable approximation errors resulted from the finite number of fuzzy wavelet basis functions. The proposed controller requires no prior knowledge about the dynamics of the robot and no off-line learning phase. Moreover, both tracking performance and stability of the closed-loop robotic system can be guaranteed by Lyapunov theory. Finally, the effectiveness of the fuzzy wavelet network-based control approach is illustrated through comparative simulations on a six-link robot manipulator     

一种基于时变干扰观测器的高超声速飞行器容错控制策略设计

为了提高高超声速再入飞行器(HRV)在执行机构故障情况下的姿态控制效果,提出一种基于时变干扰观测器和参考轨迹重构器(RVG)的滑模容错控制策略.首先,设计一种新型自适应干扰观测器(ADO)来估计系统扰动,在保证估计精度的同时,能够有效削弱传统干扰观测器的初始超调现象;然后,基于反步法设计HRV的滑模控制器,在设计中引入参考轨迹重构器以避免故障突变引起的初始尖峰,并且在滑模面的设计中利用ADO所估计的系统扰动实现干扰的在线补偿.仿真结果表明,所设计的控制策略可以有效解决传统的基于高增益干扰观测器的滑模控制律受故障引起的突变和初始估计误差造成控制系统动态性能恶化的问题.