饱和切换系统的滑模控制及在转台中的应用

应用饱和切换系统的滑模控制理论对转台控制系统进行了研究.在分析饱和切换系统理论的基础上,利用系统降维的方法设计了饱和切换系统的滑模函数,保证滑动模态渐进稳定及滑动运用具有良好的品质;并对饱和项采用自适应律处理后,设计了切换系统的滑模控制器使被控系统满足到达条件.最后,将该方法运用到伺服转台控制系统的设计当中并进行仿真,仿真结果表明该方法具有较好的动态性能及较强的鲁棒性.     

一类切换随机系统的事件触发控制

研究了切换随机系统的事件触发控制问题,为避免Zeno行为和减少不必要的通信传输,提出一种基于采样数据的事件触发控制方案。首先,假设控制器可以获取系统状态和开关信号的同步采样信息。利用合并切换信号技术,将闭环系统建模为具有状态误差和增广切换信号的切换随机系统。然后,通过多重李雅普诺夫函数方法和范数放缩,获得了充分的均方指数稳定性条件。同时,给出了切换随机系统的稳定控制器设计方法。最后,通过数值仿真验证了方法的有效性。     

随机分布参数切换系统的输入输出有限时间稳定与镇定

本文研究了一类随机分布参数切换系统的输入输出有限时间稳定问题.首先,给出了系统在均方意义下输入输出有限时间稳定的概念.其次,通过利用分片Lyapunov-Krasovskii函数、平均驻留时间及线性矩阵不等式等工具,建立了随机分布参数切换系统输入输出有限时间稳定的充分条件;设计一个状态反馈控制器确保相应的闭环系统输入输出有限时间稳定,并以严格的数学推导加以证明.最后,通过两个仿真例子验证了所得结果的有效性.     

切换线性随机系统的指数稳定分析:多Lyapunov函数方法

考虑随机扰动对于切换系统稳定性的影响.我们推广多Lyapunov函数方法并利用噪声的统计性质建立几乎必然指数稳定的条件.进而,给出了子系统反馈控制器的设计条件以使闭环系统是几乎必然指数稳定的.最后,通过一个仿真算例验证了方法的有效性.     

一类不确定随机线性系统的滑模变结构控制

针对一类随机线性系统中模型参数不确定的情况,充分考虑到系统状态的相互作用,通过鲁棒控制理论确定滑动面,设计了满足一定状态性能指标的滑模控制律.首先对不含控制量的子系统在不确定的情况下设计了鲁棒反馈控制律,获得了随机稳定的闭环控制子系统;再根据滑模变结构控制理论得到最终的控制律,并在随机系统满足随机I^to微分的前提下,基于Lyapunov方法证明了滑模的可达性和不确定随机系统闭环鲁棒稳定性.数字仿真结果验证了该算法的有效性.     

严格反馈型不确定性随机系统智能滑模控制

研究了采用滑模控制方法来设计由带有不确定参数的It∧o型随机微分方程表示的严格反馈型随机系统的镇定控制器．考虑到该类系统扰动信号的随机特征和特殊结构以及理想滑模控制所具有的缺陷，作者将智能控制和滑模控制相结合，以避免控制器快速切换和理想滑模控制律产生的抖动效应，由此基于已有的一些研究成果深入探讨了采用智能滑模控制来镇定此类随机系统的特点和优点，最后对一个实例系统设计了其智能滑模控制律，仿真结果表明了所采用控制方法的有效性和正确性．     

磁悬浮平台电磁悬浮系统的模糊滑模控制

为实现开环不稳定且高度非线性的磁悬浮平台悬浮气隙的精确控制,采用模糊滑模控制方案,根据电磁悬浮系统的动态非线性数学模型,设计使系统状态在有限时间内到达稳定点的滑模面,通过等效控制和切换控制律实现对参数摄动和外部扰动的完全鲁棒性.根据滑模切换状态,利用模糊推理方法柔化切换控制.基于模糊滑模控制器的控制系统能够有效地削弱滑模控制抖振,并较好地抑制外部扰动,且对参数变化具有完全鲁棒性,实现磁悬浮平台的高刚度稳定悬浮.结果表明,所设计的控制系统对参数变化及周期性扰动具有很强的鲁棒性.     

基于微粒群算法的模糊滑模控制

针对一类非线性控制系统,提出一种新的基于微粒群算法的模糊滑模控制方法。将模糊控制和滑模控制相结合,利用滑模控制使系统的跟踪误差进入给定的边界层内,启用模糊控制取代切换控制;同时为保证模糊滑模控制系统的全局稳定性,加入监督控制以柔化控制输入;最后基于微粒群算法对滑模面系数和不均匀隶属度函数因子寻优,不仅加快了系统到达滑模面的速度,减小了误差,而且有效地消除了高频抖振。仿真结果表明了该方法的有效性。     

欠驱动水面船舶的有限时间航迹跟踪控制

针对欠驱动水面船舶的快速航迹跟踪控制问题,本文设计了一种基于终端滑模控制方法的分散控制器。通过引入辅助线性滑模面进行切换控制,避免了传统终端滑模面中状态可能为零而导致控制无穷大的奇异问题,且使欠驱动水面船舶能够在有限时间内快速跟踪并保持期望的轨迹。本文结合有限时间稳定性理论证明了终端滑模控制方法具有限时间收敛作用这一特性;借助Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明:该算法控制效果良好,且对外界环境干扰具有一定的鲁棒性能。     

一类含有非线性项的不确定系统的有限时间输出跟踪控制

讨论了一类含有非线性项的不确定系统的有限时间输出跟踪控制问题．首先,采用变结构控制理论,给含有非线性项的不确定系统设计了滑模控制率,使辅助系统状态在有限时间到达切换面并维持在切换面上运动;其次,给出了辅助系统有限时间稳定的充分条件,使系统输出有限时间跟踪参考模型输出信号．最后,通过数值算例演示了该方法的可行性及有效性．     

基于连续高阶模滑的多机电力系统励磁控制

为了提高多机电力系统暂态稳定性,提出一种连续高阶滑模励磁控制策略。各发电机功角偏差为滑模变量,把具有非线性和不确定性多机电力系统的高阶滑模控制转化为不确定积分链系统的有限时间稳定问题,控制器结合几何齐次连续控制律和二阶滑模超螺旋算法,实现系统状态有限时间收敛,克服系统未建模动态、测量误差和外部扰动等不确定性,利用精确鲁棒微分器观测功角微分,理论分析证明了闭环系统的有限时间稳定。所设计高阶滑模励磁控制器能够保持机端电压稳定,并能有效提高电力系统的暂态稳定性。针对3机系统的仿真结果验证了该控制方法的有效性。     

Decentralized adaptive neural network sliding mode position/force control of constrained reconfigurable manipulators

A decentralized adaptive neural network sliding mode position/force control scheme is proposed for constrained reconfigurable manipulators. Different from the decentralized control strategy in multi-manipulator cooperation, the proposed decentralized position/force control scheme can be applied to series constrained reconfigurable manipulators. By multiplying each row of Jacobian matrix in the dynamics by contact force vector, the converted joint torque is obtained. Furthermore, using desired information of other joints instead of their actual values, the dynamics can be represented as a set of interconnected subsystems by model decomposition technique. An adaptive neural network controller is introduced to approximate the unknown dynamics of subsystem. The interconnection and the whole error term are removed by employing an adaptive sliding mode term. And then, the Lyapunov stability theory guarantees the stability of the closed-loop system. Finally, two reconfigurable manipulators with different configurations are employed to show the effectiveness of the proposed decentralized position/force control scheme.     

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。     

输入受限的航天器姿态调节小波滑模反步控制

对刚体卫星在轨机动时存在未知惯量特性、外部干扰及控制输入受限的控制问题,提出了一种将滑模反步姿态控制与小波相结合的鲁棒控制方法,这种方法在继承传统滑模反步控制的优点的同时,利用小波函数的逼近能力来补偿执行机构饱和非线性;对设计者而言,饱和非线性的结构特性无需了解,并基于Lya-punov方法从理论上证明了滑动模态的存在性及系统的全局稳定性.最后,将该方法应用于航天器的姿态调节控制,仿真结果表明此控制器能有效地处理航天器姿态调节过程中控制输入饱和受限的约束,在完成姿态调节控制的同时,具有良好的过渡过程品质.     

Adaptive Sliding Mode Control for the Excavator Manipulator

挖掘机滑模自适应轨迹控制研究

徐国胜,吕广明,陆念力

（哈尔滨工业大学 机电学院,哈尔滨 150001）

创新点说明：

1） 挖掘机的动力学模型考虑了各机械臂的重量及形状,并给出了动力学各元素的显示表达,

(1)

式中, 为斜对称矩阵,这也是考虑挖掘机形状与重量的表达式所具有的。

2） 滑模控制算法的符号函数采用sigmoid 函数代替,通过李雅普诺夫理论得到自适应控制率,调节切换项比例因子,使之跟踪参数误差导致的输入误差,且消除抖振。

3） 轨迹规划,考虑以定切削角进行整平作业生成铲斗轨迹。

研究目的：

挖掘机技术文档参数与装配实机存在误差,该误差不能得到合理估计,但显然是有界的。由于滑模变结构对于模型误差,负载扰动等具有鲁棒性,对于控制处于复杂工作环境的挖掘机轨迹而言非常适用,但滑模切换项容易引起抖振现象,而切换项又是滑模变结构鲁棒适应性所必要的,一般切换项的比例因子要大于模型误差,才能使整体控制系统稳定。但较大的比例因子引起的抖振也愈剧烈,导致对挖掘轨迹自动控制的效果不够理想,为此,探究自适应算法补偿有界误差项进行解决。

研究方法：

首先建立更加符合挖掘机实际情况的动力学模型,其次将滑模控制引入对挖掘机的轨迹控制中。为了低乃至消除抖振,采用sigmoid函数替代切换项符号函数,并通过李雅普诺夫理论得到自适应控制率,自适应调节切换项比例因子,使之补偿挖掘机技术文档参数与实机参数误差导致的控制输入误差,最后与传统滑模控制进行仿真对比。

研究结果：

自适应滑模控制效果达到或优于传统滑模控制,且消除抖振,切换项能很好地补偿参数误差导致的输入误差。

结论：

采用本文自适应滑模控制算法对挖掘机轨迹控制效果相比传统滑模控制消除了抖振现象,取得良好控制效果。该方法摒弃了传统滑模控制需要建模误差界大小的先验知识,对于有界建模误差的系统均能适用。不需估计挖掘机建模误差,符合挖掘机控制实际。

关键词：动力学;自适应滑模控制;挖掘机

     

基于双观测器的机器人自适应摩擦补偿控制

针对机器人系统中存在关节摩擦的问题,提出一种基于终端滑模观测器和摩擦状态观测器的双观测器自适应摩擦补偿反演控制方案:为避免速度测量带来的噪声影响,设计终端滑模观测器对机器人的速度进行估计;考虑到摩擦力无法直接获取,采用连续LuGre摩擦模型,设计摩擦状态观测器和摩擦参数自适应律,得到摩擦的估计值;结合摩擦估计值设计反演控制器,使机器人在受到关节摩擦影响的情况下能有效跟踪期望位置轨迹。最后通过Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性以及机器人轨迹跟踪误差的收敛性,并通过MATLAB仿真验证该控制方案的有效性。仿真结果表明,该控制方法能有效抑制关节摩擦对机器人轨迹跟踪的影响,提高了系统的位置跟踪精度。     

广义系统的快速终端滑模控制

研究了一类广义系统的快速终端滑模控制问题.通过非奇异线性变换把广义系统变换成受限等价形式,利用Lyapunov函数的方法,提出了一种新的指数型快速终端滑模控制策略,给出了特殊的指数型终端滑模超曲面,设计了相应的终端滑模控制器,使得闭环系统渐进稳定,实现了滑模运动,保证了系统状态变量以较快的收敛速度在有限时间内到达平衡点...     

一类线性参数变化时滞系统的鲁棒滑模控制

研究了一类线性参数变化连续时间系统的稳定性、状态反馈镇定和滑模控制问题.通过引入适当加权矩阵变量寻找Le ibn iz-Newton公式各项之间的关系,从而直接地处理系统中的时滞状态项,避免了常规应用Le ibn iz-Newton公式进行模型变换的间接方法所带来的较大保守性.基于参数线性矩阵不等式方法提出了该类系统参数二次稳定的时滞相关的新条件.基于该条件研究了该类系统的状态反馈镇定和滑模控制问题.分别提出了镇定控制器设计条件和滑动模态存在条件,并设计了滑模控制器,保证了闭环系统的参数二次稳定.仿真实例证明了该设计方案的可行性.     

双臂空间机器人的固定时间轨迹跟踪控制

针对双臂空间机器人轨迹跟踪控制问题,考虑系统跟踪误差收敛时间易受初始状态影响,提出与初始状态无关的固定时间非奇异快速终端滑模控制策略. 基于固定时间稳定性理论,设计改进的固定时间非奇异快速终端滑模面. 该滑模面解决了终端滑模控制的奇异问题,使得系统跟踪误差在远离、接近原点时均有较快的收敛速度. 为了削弱滑模控制存在的抖振现象和提高趋近阶段的收敛速度,提出改进的固定时间趋近律,应用李雅普诺夫理论证明闭环系统的固定时间稳定. 以双臂空间机器人为被控对象进行对比仿真,结果表明,所提控制策略具有更高的控制精度、更快的收敛速度和更强的鲁棒性.