滑模变结构有限时间收敛制导律

针对末端有入射角度约束的制导系统,基于滑模变结构控制思想设计了一种有限时间收敛的滑模制导律,使制导系统的视线角速率快速收敛到零,并令弹道倾角收敛到期望的入射角度.通过非线性控制系统的有限时间稳定性理论对该制导律进行了分析,给出了制导系统有限收敛时间的数学形式,证明了制导系统的有限时间收敛性.最后通过仿真进一步验证了该制导方法的有效性和鲁棒性.     

有限时间快速收敛滑模变结构控制

讨论了一类非线性系统的滑模变结构控制有限时间收敛问题.提出了一种新的收敛滑模超曲面及相应控制方案.研究结果表明,系统状态变量能以较快的收敛速度在有限时间内进入各级滑模超曲面最终到达平衡点,并具有良好的动态性能.最后仿真结果验证了该方案的有效性.     

机械系统的快速有限时间跟踪控制及其在航天器交会中的应用

针对一类具有匹配干扰的二阶机械系统,本文研究了快速有限时间跟踪控制问题.结合有限时间反步法和非奇异快速终端滑模,本文提出了一种新的快速有限时间控制律,并给出了控制器参数所需满足的充分条件以保证系统的快速有限时间稳定性.进一步地,在一定情形下,所设计的快速有限时间控制律能够退化为经典的反步法、有限时间控制律和非奇异快速终端滑模控制律.最终,将所设计的控制律应用于航天器交会系统,数值仿真结果验证了所提方法的有效性.     

自适应神经网络四旋翼无人机有限时间轨迹跟踪控制

针对带有模型不确定性和未知外部干扰的四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题,提出一种基于径向基(radial basis function, RBF)神经网络的自适应全局快速终端滑模控制方法,确保系统对期望轨迹的有限时间跟踪。该方法考虑到全局快速终端滑模控制在实际应用中的适应性和抖振问题,利用RBF神经网络替代等效控制量,以神经网络的在线学习能力补偿系统内部的不确定性和未知的外部干扰,有效地降低了系统的抖振;根据Lyapunov方法导出的自适应律在线调整神经网络权值,以保证闭环系统的稳定性。通过一系列仿真算例和飞行实验验证了该方法的有效性与可行性,结果表明:该控制方法相对于滑模控制的抖振更小,具有更好的收敛性和抗干扰能力,同时对模型的参数摄动具有更强的鲁棒性。     

侧窗探测动能拦截器轨控有限时间收敛制导律

临近空间动能拦截器多采用侧窗探测,为保证探测视场稳定,需使姿态定向且保证视线角稳定,但轨控发动机捷联在弹体上,只能输出大小和方向恒定的力,姿态定向使纵向平面和侧向平面的控制力存在耦合.针对上述问题,设计有限时间收敛制导律和伪速率(Pseudo rate,PSR)脉冲调制器.首先,构建侧窗约束下的三维轨控制导交战模型;其次,设计适应于姿态定向和视线角约束的新型制导算法,并严格证明其有限时间收敛特性;再次,为克服PWPF (Pulse width pulse frequency)将连续控制量转化为数字量时存在的相位滞后问题,设计PSR脉冲调制器;最后,分析不同制导律、目标机动特性和开关机门限等因素对制导精度的影响.数字仿真表明,所设计的制导算法能够使视线角度和角速率有限时间收敛,保证探测视场的稳定,具有较高的制导精度,对目标的机动具有较强的鲁棒性.     

纵向速度和艏向角受限的水面艇有限时间协同路径跟踪

研究多个欠驱动水面艇在纵向速度和艏向角受限情况下的协同有限时间直线路径跟踪问题.针对水面艇在位置和速度方向上受到的干扰,考虑欠驱动水面艇同时受到匹配和不匹配扰动的情况,通过在控制方案中引入积分视线制导律和有限时间观测器来估计并补偿两类扰动.设计非对称障碍Lyapunov函数来保证欠驱动水面艇在航行过程中不违反约束条件,...     

速度测量不确定性影响下的无人车路径跟踪预瞄控制EI北大核心CSCD

预瞄距离是无人车路径跟踪预瞄控制系统设计中的一个关键参数,其选取往往依赖于车辆行驶速度.然而,车速的测量不可避免存在偏差,这必将影响系统的预瞄控制性能.本文针对这一问题,在充分考虑车速测量不确定性对预瞄距离选取影响的基础上,提出一种基于线性参数变化(LPV)系统的鲁棒H∞路径跟踪预瞄控制算法.首先,选取车速和预瞄距离为调度变量,将原系统转化为一种具有可变权重因子的LPV系统.然后,针对无人车系统状态的不完全可测性,设计一种基于观测器的鲁棒H∞控制器.最后,给出保证闭环系统鲁棒H∞性能的凸优化求解条件.仿真结果验证了本文提出控制算法的有效性.     

一种基于指数趋近律的非线性系统变结构轨迹跟踪控制新方法

针对多输入多输出二阶不确定非线性机械系统中轨迹跟踪控制的问题,提出一种新的基于指数趋近律的滑模变结构控制方法,用于提高系统的平稳性和快速性。在滑模变结构控制器设计过程中采用一种新的指数趋近律以改进闭环系统的暂态和稳态响应性能,使系统跟踪误差收敛速度加快,特别是减少轨迹跟踪误差到达滑模面的时间,同时提高了系统轨迹跟踪过程的平稳性。通过采用边界层方法消除滑模控制输入抖振问题,避免控制过程中执行器的频繁切换,进一步提高所提出滑模控制器在实际系统中的实用性。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性和跟踪误差的收敛性。数值仿真验证了所提出的控制方法的有效性。     

欠驱动水下机器人三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制

本文研究了具有不确定动态和未知时变海洋环境扰动的欠驱动水下机器人(AUVs)三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制问题,提出新型预设性能函数和误差映射函数,将受预设性能限制的轨迹跟踪误差转变为非受限的变换后误差;构造新的超螺旋(ST)扩张状态观测器,在有限时间内实时估计AUV不确定动态和未知时变海洋环境扰动引起的总扰动;基于...     

基于有限时间扰动观测器的无人水面艇精确航迹跟踪控制

针对复杂航行环境下的无人水面艇系统,提出一种基于有限时间扰动观测器的无人水面艇精确航迹跟踪控制策略.该控制方法具有以下显著特点:能够精确补偿未知海洋干扰,可实现精确跟踪控制;相比传统的渐近收敛控制算法,有限时间稳定性确保跟踪控制系统具有更快的收敛速度和更强的扰动抑制能力;能够同时确保扰动观测误差和航迹跟踪误差在有限时间内精确收敛到零.仿真结果验证了所提出控制方法的有效性和优越性.     

无人水面艇复合自适应轨迹跟踪控制

针对存在模型参数不确定性和极易受到风、浪、流等时变干扰的欠驱动无人水面艇的轨迹跟踪控制问题,根据扰动观测器能对不确定项和外界干扰进行估计和补偿且具有鲁棒性特点,提出一种基于复合扰动观测器的自适应轨迹跟踪控制。该复合自适应观测器利用跟踪误差和估计误差共同调节自适应参数,在不激励高频未建模动态的情况下,该复合自适应闭环控制系统可得到更快的收敛速度和更高的跟踪精度。理论分析和仿真实验证明了所提出的无人水面艇复合自适应控制的有效性。     

基于引导角的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

首先,基于拉格朗日方程建立移动机器人模型;然后,根据侧向误差和角度误差的关系设计引导角,将该引导角作为虚拟输入,结合Backstepping方法设计基于移动机器人运动学模型的轨迹跟踪控制律,并给出参数选取条件;最后,以驱动轮力矩作为控制输入,并考虑到机器人受到的外部扰动,将运动学控制律扩展得到基于动力学模型的控制律.仿真结果表明了所设计控制律的有效性.     

带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模制导律

本文利用先进的终端滑模控制和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种非奇异、本质上连续和有限时间收敛的带攻击角度约束的制导律,它可用于打击固定、匀速运动和机动目标.为了在有限时间内高精度地获得给定的攻击角度并不出现奇异问题,非奇异快速终端滑模函数被用于设计滑模面.快速终端滑模函数被用于设计趋近律,在整个到达阶段系统轨迹可以从任意初始状态快速地收敛到滑模面并形成本质上连续的制导律.由于非奇异、本质上连续和全局快速收敛的特性,和传统的终端滑模制导律相比,本文方法可以在更短时间内以更高精度的攻击角度对目标实施打击.大量的仿真算例表明了本文制导律的有效性.     

Adaptive terminal angle constraint interception against maneuvering targets with fast fixed‐time convergence

In this paper, a modified adaptive fast nonsingular terminal sliding mode guidance law is proposed based on the theory of fixed‐time convergence, which is applied for intercepting maneuvering targets considering terminal angle constraint. The proposed guidance law achieves system stabilization within bounded settling time independent on initial conditions and provides no singularity and globally rapid convergence property by accelerating the convergence rate when the system is close to the origin. The upper bound of settling time can be obtained in advance by the controller's parameters. Besides, in order to achieve chattering‐free property, a continuous adaptive switching control is introduced and the achieved acceleration‐magnitude constraints are rigorously enforced. Finally, the fixed‐time convergence of the sliding mode manifold and the system states is demonstrated by Lyapunov stability theory. Extensive numerical simulations are presented to validate the efficiency and superiority of the proposed guidance law.     

无人机三维航路自适应跟踪控制

针对无人机自动驾驶仪参数标称值偏离实际值情况下的航迹跟踪问题,提出一种无人机三维航路自适应跟踪导引律。首先在无人机自动驾驶仪参数无偏离的条件下,推导出能够跟踪三维航路的速度指令、航迹倾斜角指令和航迹方位角指令,并使用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪系统全局渐进稳定;之后考虑自动驾驶仪参数标称值偏离实际值的情况,设计自适应算法在线估计自动驾驶仪参数,得到无人机三维航路自适应跟踪导引律。仿真实验表明所提出的自适应跟踪导引律能够使无人机在自动驾驶仪参数偏离条件下有效跟踪三维航迹。     

Nonlinear robust control of a quadrotor helicopter with finite time convergence

In this paper, the control problem for a quadrotor helicopter which is subjected to modeling uncertainties and unknown external disturbance is investigated. A new nonlinear robust control strategy is proposed. First, a nonlinear complementary filter is developed to fuse the raw data from the onboard barometer and the accelerometer to decrease the negative effects from the noise associated with the low-cost onboard sensors Then the adaptive super-twisting methodology is combined with a backstepping method to formulate the nonlinear robust controller for the quadrotor''s attitude angles and the altitude position. Lyapunov based stability analysis shows that finite time convergence is ensured for the closed-loop operation of the quadrotor''s roll angle, pitch angle, row angle and the altitude position. Real-time flight experimental results, which are performed on a quadrotor flight testbed, are included to demonstrate the good control performance of the proposed control methodology.     

Adaptive NN state error PCH trajectory tracking control for unmanned surface vessel with uncertainties and input saturation

A novel robust state error port controlled Hamiltonian (PCH) trajectory tracking controller of an unmanned surface vessel (USV) subject to time-varying disturbances, dynamic uncertainties and control input saturation is presented. The proposed control scheme combines the advantages of the high robustness and energy minimization of the state error PCH approach and the approximation capability of adaptive radial basis function neural networks (RBFNNs). Adaptive RBFNNs are used to the time-varying disturbances of the environment and unknown dynamics uncertainties of the USV model. The state error PCH control approach is designed such that the system can optimize energy consumption, and the state error PCH technique makes the designed trajectory tracking controller be easy to implement in practice. To handle the effect of the control input saturation, a Gaussian error function model is employed. It has been demonstrated that the proposed approach can maintain the USV's trajectory at the desired trajectory, while the closed-loop control system can guarantee the uniformly ultimate boundedness. The energy consumption model of the USV is constructed to reveal to the energy consumption. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.     

针对时变轨迹的非线性仿射系统的鲁棒近似最优跟踪控制

针对非线性连续系统难以跟踪时变轨迹的问题,本文首先通过系统变换引入新的状态变量从而将非线性系统的最优跟踪问题转化为一般非线性时不变系统的最优控制问题,并基于近似动态规划算法(ADP)获得近似最优值函数与最优控制策略.为有效地实现该算法,本文利用评价网与执行网来估计值函数及相应的控制策略,并且在线更新二者.为了消除神经网络近似过程中产生的误差,本文在设计控制器时增加一个鲁棒项;并且通过Lyapunov稳定性定理来证明本文提出的控制策略可保证系统跟踪误差渐近收敛到零,同时也验证在较小的误差范围内,该控制策略能够接近于最优控制策略.最后给出两个时变跟踪轨迹实例来证明该方法的可行性与有效性.     

非匹配扰动干扰下的无人直升机轨迹跟踪控制

针对小型无人直升机在飞行过程中容易受到非匹配扰动影响的特点,本文设计了一种基于新型滑模控制方法的轨迹跟踪控制器.首先,建立了无人直升机系统的非线性数学模型,并对该模型进行近似反馈线性化处理,同时将模型分为位置和偏航两个子系统;然后,利用扩展扰动观测器对复合扰动以及非匹配扰动的各阶导数的估计值,设计新型时变滑模面,得到滑模控制律,并给出了控制系统的稳定性分析;最后,仿真结果验证了控制方法的有效性和优越性.该新型滑模控制方法的优越性主要体现在:对非匹配扰动具有较强的鲁棒性,以及能有效地抑制抖振现象.