基于反演的机器人滑模变结构控制研究

基于滑模变结构控制理论,针对地面机器人这类非线性强耦合系统,提出了一种反演滑模变结构控制方法.该方法将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统,然后为每一个子系统设计李雅普洛夫函数和中间虚拟控制量,一直回推到整个系统,直到完成整个控制律的设计.最后利用所提出的方法设计了平面二自由度机器人的控制系统并进行了仿真,仿真结果表明该控制方法的有效性.     

基于自适应模糊的旋转弹反演滑模控制律设计

针对旋转弹药模型具有非线性、强耦合和参数不确定性等特点,建立了考虑不确定因素的非线性控制模型,提出一种基于自适应反演和滑模控制理论的旋转弹体姿态控制律。基于Lyapunov稳定性理论,利用反演控制和滑模变结构理论取虚拟控制量作为滑动模态,设计了姿态控制器;基于模糊控制方法较强的逼近能力,引入自适应模糊控制实现对不确定参数的估计,同时通过对切换增益的模糊逼近解决了滑模面的抖振问题。仿真结果表明,所设计的控制律具有较好的稳定性和鲁棒性,该控制模型和控制器的设计合理可行。     

基于Backstepping的改进等速趋近律AGV滑模轨迹跟踪控制方法

针对自动导引小车(AGV)轨迹跟踪过程中如何快速平稳消除行进所产生的距离和角度误差问题,提出了一种改进等速趋近律的滑模轨迹跟踪控制方法。在全局坐标系下建立了AGV运动学模型,基于反演算法(Backstepping)处理非线性系统的控制策略得到AGV的滑模切换函数,从而解决了非线性系统滑模控制切换函数难的问题;为了更好地实现AGV从任意初始的偏差状态达到滑模切换面,针对等速趋近律中ε常数对趋近过程的影响,通过连续的函数取代原趋近律中的符号函数,得到基于改进等速趋近律AGV滑模控制的切换函数式和轨迹跟踪的控制律式。通过仿真数据与实验结果表明,所提出的轨迹跟踪控制方法能够使AGV在不同转弯半径和不同速度下均能实现较快的误差纠偏,并最终使系统趋于稳定。     

考虑控制输入约束的电磁阀式半主动悬架滑模控制

针对悬架控制系统中的输入约束和切换抖振问题,综合考虑悬架系统非线性,提出一种电磁阀式半主动悬架系统的考虑输入约束的模糊切换增益调节滑模控制方法。建立了1/4车辆悬架非线性模型,并利用电磁阀减振器力-速度特性试验建立了电磁阀减振器非线性力学模型。将模糊控制与滑模控制结合设计滑模控制律,降低系统抖振,同时引入辅助系统解决控制输入约束问题。仿真结果表明,所提出的滑模控制器可有效降低控制输入约束和切换抖振对悬架系统性能的影响,改善车辆乘坐舒适性。     

机械臂关节空间轨迹的神经网络滑模跟踪控制

为了提高机械臂对给定轨迹的跟踪精度且削弱滑模控制抖振问题,提出了基于RBF神经网络滑模控制的轨迹跟踪方法。建立了多连杆机械臂系统的运动学和动力学模型。首先忽略由建模误差和系统扰动产生的系统不确定项,建立了全局PID滑模控制器,设计了由等效控制律和切换控制律组成的全局滑模控制律;而后使用单隐含层RBF神经网络逼近系统不确定项,使用神经网络对不确定项的逼近值补偿建模误差和系统扰动,达到提高控制精度的目的。经仿真验证,在机械臂初始位置误差较大的情况下,神经网络滑模控制器的调节时间、超调量、驱动力矩抖振远小于全局PID滑模控制器,证明了神经网络滑模控制器在机械臂轨迹跟踪控制中的有效性。     

差速驱动AGV建模和轨迹跟踪控制研究

针对应用于工厂物料运输的差速驱动AGV,在实际工作中轨迹跟踪控制将会受外界干扰等因素的影响,提出了一种自适应模糊滑模轨迹跟踪控制律.首先建立了差速驱动AGV的数学模型;然后针对AGV运动学模型设计了Backstep-ping方法控制律,得到虚拟控制速度;针对其动力学模型设计了以力矩为控制输入的自适应模糊滑模控制律,使得其能够对虚拟速度进行跟踪,其中利用模糊系统的万能逼近特性,逼近滑模控制器的切换部分来避免滑模控制的抖振现象;采用Lyapunov稳定性理论分析证明了控制系统的稳定性.最后仿真试验表明了所设计的控制律能有效的跟踪参考轨迹.     

弹仓的模糊自适应滑模控制

针对系统模型参数未知且负载大范围变化的链式弹仓的位置控制问题,提出了一种FASMC算法。根据模糊系统的万能逼近理论,针对弹仓系统输入设计模糊集、构造模糊系统,最后以模糊系统的输出来逼近弹仓系统的未知理想控制律。该算法不以系统模型为基础设计了理想的滑模控制律,所以具有较好的鲁棒性。在逼近过程中,为进一步的改善控制效果提高系统鲁棒性,针对模糊系统可调参数构造合适的自适应控制律,实现参数的在线自适应调整;最后引入自适应滑模切换控制律补偿模糊系统的逼近误差,保证了滑模条件。在空载、半载和满载三种情况下的仿真结果表明,提出的模糊自适应滑模控制算法不仅能够有效逼近弹仓系统模型的理想控制律且具有较好的控制精度。     

基于滑模变结构的陀螺稳定平台非线性解耦控制

为了消除陀螺稳定平台系统中各框架间的非线性耦合影响,设计了一种滑模非线性解耦控制算法.分析了高精度三轴陀螺稳定平台框架间的非线性耦合特性,建立了系统的动力学模型.利用非线性微分几何方法对系统进行了输入输出解耦控制设计,结合模型跟踪滑模变结构控制方法消除了系统解耦控制中的非线性扰动因素.针对滑模控制中的抖动问题,设计了带有边界层的积分滑模控制器,有效减弱了控制器的抖振现象,提高了系统解耦精度.在某型号电视导引头稳定平台系统中测试表明了该解耦控制方法的有效性和可行性.同PID方法和不带边界层的滑模控制方法相比较,该解耦方法的解耦效果明显优于其他两种方法.     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的高精度位置控制

在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题,提高转子位置精度,本文分析了转子所受磁力的特性,建立了转子系统非线性动力学模型,提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律,采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型,自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值,同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明,所提出方法的转子位置精度达到99%,稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。     

控制受限影响下不确定时滞系统的滑模控制

本文考虑不确定时滞系统的滑模控制问题,其中,系统的控制输入受到非线性限制(包括饱和、死区),同时,被控系统存在状态时滞和输入时滞。设计了一种新型的积分切换面,给出了该切换面上滑模动态渐近稳定的充分条件,同时,给出了控制输入受限情况下,滑模控制律的设计方法,并证明了所设计的滑模控制律能够保证状态轨迹在有限时间内被驱动到指定的切换面上。     

虚拟轴机床并联机构的自适应动态滑模运动控制

虚拟轴机床系统模型复杂难以准确建立,高速加工时存在强烈干扰且不确定,难以实际实现高性能控制,为此,提出一种新型自适应动态滑模控制方法,用于虚拟轴机床并联机构运动控制。通过构建新型动态切换函数,设计二阶动态滑模控制,以解决采用常规等效控制设计的滑模控制系统,因忽略执行机构快变动力学特性等而导致控制系统品质降低甚至不稳定的问题,同时避免滑模抖振的出现;引入自适应控制对虚拟轴机床加工时的外界干扰等不确定因素进行在线估计,以克服滑模控制性能需依赖于对未知干扰的先验估计的局限,增强虚拟轴机床克服高速加工时的强烈干扰的能力,进一步提高其控制性能。仿真和试验结果表明,采用自适应动态滑模控制方法,可使虚拟轴机床控制系统具有较好的自适应能力,较强的鲁棒性,良好的动态、稳态品质。     

阀控缸系统有限时间滑模控制

针对阀控缸系统稳态跟踪误差的收敛时间均为非有限时间内收敛到0的问题，提出了一种终端滑模控制方法。解决了液压系统非有限时间收敛问题，使得跟踪误差在有限时间内收敛到0。首先，运用终端滑模控制方法通过构造终端函数方式引入非线性项，设计终端滑模面来保证系统的全局鲁棒性和稳定性；其次，基于Lyapunov稳定性理论设计终端滑模控制器，保证位置跟踪误差在有限时间内收敛到0并验证其稳定性；最后，利用阀控缸系统模型以正弦信号及其衍生信号为参考信号对控制策略进行Simulink仿真，表明了终端滑模控制方法的可行性与有效性。     

A new fractional-order sliding mode controller via a nonlinear disturbance observer for a class of dynamical systems with mismatched disturbances

This paper investigates the stabilization and disturbance rejection for a class of fractional-order nonlinear dynamical systems with mismatched disturbances. To fulfill this purpose a new fractional-order sliding mode control (FOSMC) based on a nonlinear disturbance observer is proposed. In order to design the suitable fractional-order sliding mode controller, a proper switching surface is introduced. Afterward, by using the sliding mode theory and Lyapunov stability theory, a robust fractional-order control law via a nonlinear disturbance observer is proposed to assure the existence of the sliding motion in finite time. The proposed fractional-order sliding mode controller exposes better control performance, ensures fast and robust stability of the closed-loop system, eliminates the disturbances and diminishes the chattering problem. Finally, the effectiveness of the proposed fractional-order controller is depicted via numerical simulation results of practical example and is compared with some other controllers.     

Finite time control for MIMO nonlinear system based on higher-order sliding mode

Considering a class of MIMO uncertain nonlinear system, a novel finite time stable control algorithm is proposed based on higher-order sliding mode concept. The higher-order sliding mode control problem of MIMO nonlinear system is firstly transformed into finite time stability problem of multivariable system. Then continuous control law, which can guarantee finite time stabilization of nominal integral chain system, is employed. The second-order sliding mode is used to overcome the system uncertainties. High frequency chattering phenomenon of sliding mode is greatly weakened, and the arbitrarily fast convergence is reached. The finite time stability is proved based on the quadratic form Lyapunov function. Examples concerning the triple integral chain system with uncertainty and the hovercraft trajectory tracking are simulated respectively to verify the effectiveness and the robustness of the proposed algorithm.     

1000 t惯性摩擦焊液压多缸同步控制策略研究

针对大吨位惯性摩擦焊机多缸液压顶锻系统强干扰、强非线性的特点,面向多缸系统同步性能的高精度、强抗干扰的要求,基于自行设计的一套具有位置反馈的三缸液压顶锻系统,建立了阀控缸系统以及位置反馈同步系统的动态响应数学模型,并且提出了以伺服阀控液压系统为基础,在偏差耦合控制方式下采用模糊PID对控制参数进行优化的多缸同步控制策略。在MATLAB Simulink中对该控制算法进行仿真研究,并与传统PID控制算法进行对比。结果表明,所设计的控制策略实现了千吨级负载下多缸系统同步误差小于0.05 mm的稳定输出,具有较好的鲁棒性和较高的同步控制精度,为国产大吨位惯性摩擦焊机液压伺服系统提供设计参考。     

基于优化自适应阈值的非线性机电系统传感器 故障检测和主动容错控制

针对具有参数不确定性和传感器故障的非线性机电系统,提出一种基于优化自适应阈值和故障重构策略的主动容错控制方法。首先,利用线性分式变换理论对存在参数不确定性的非线性机电系统进行建模,并提出基于粒子群优化算法的优化自适应阈值以提高参数不确定条件下的故障检测性能。其次,通过解析冗余关系推导出系统的动力学方程,并提出一种基于递归终端滑模的跟踪控制策略,以实现系统健康状态下的负载位置跟踪。当系统发生故障时,构建自适应滑模观测器进行传感器故障重构,根据重构结果设计自适应主动容错控制律,并利用故障检测结果进行控制律的实时切换。实验结果表明,所提出的故障检测和主动容错控制方法能在0.06 s内准确的实现传感器故障检测和容错控制,验证了该方法的可行性。     

考虑非线性特性的电控助力制动系统多闭环压力控制策略

针对电控助力制动系统(Electro-booster brake system, Ebooster)主动制动时面临的液压系统时变特性扰动、传动机构动静态摩擦阻碍以及底层伺服电机电磁特性耦合等诸多非线性难题,提出一种考虑非线性特性的压力—位置—电流多闭环压力控制策略。分析Ebooster主动制动工作原理并建立面向控制器设计的等效简化模型;基于自抗扰理论设计压力环控制器,补偿了液压系统时变特性扰动;采用鲁棒滑模变结构设计位置环控制器,考虑传动机构动静态摩擦阻碍和系统未建模扰动;通过李雅普诺夫稳定性理论设计电流环控制器,解决永磁同步电机双轴电流耦合问题。基于d SPCAE设备搭建了硬件在环台架进行算法测试验证。结果表明,提出的多闭环压力控制策略能够控制Ebooster实现主动制动功能,压力跟随的稳态误差在0.2 MPa之内,同时在多种压力跟随工况下表现出良好的控制效果。研究成果为机-电-液耦合的线控制动系统进行制动压力控制时面临的多种非线性扰动问题,提供了一种良好的解决思路。     

Adaptive backstepping sliding mode control with fuzzy monitoring strategy for a kind of mechanical system

A novel adaptive backstepping sliding mode control (ABSMC) law with fuzzy monitoring strategy is proposed for the tracking-control of a kind of nonlinear mechanical system. The proposed ABSMC scheme combining the sliding mode control and backstepping technique ensure that the occurrence of the sliding motion in finite-time and the trajectory of tracking-error converge to equilibrium point. To obtain a better perturbation rejection property, an adaptive control law is employed to compensate the lumped perturbation. Furthermore, we introduce fuzzy monitoring strategy to improve adaptive capacity and soften the control signal. The convergence and stability of the proposed control scheme are proved by using Lyaponov′s method. Finally, numerical simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme.