具有输入饱和的电液伺服位置系统自适应动态面控制

针对具有非线性、参数不确定性及输入饱和问题的电液伺服位置系统,提出了一种自适应动态面控制器的设计方法.该方法充分考虑饱和特性,利用双曲正切函数和辅助控制信号对系统非线性模型进行等价变换,进而采用动态面方法设计抗饱和控制器.设计过程中引入Nussbaum函数,以补偿输入饱和引起的非线性项.通过构造合适的Lyapunov函数,证明闭环系统的所有信号一致最终有界.仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的跟踪效果,并有效地削弱了输入饱和对系统造成的不良影响.     

输入受限四旋翼飞行器的模糊自适应动态面轨迹跟踪控制

针对输入受限条件下四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和未知外界干扰的情况,提出一种模糊自适应动态面轨迹跟踪控制方法.该方法设计干扰观测器估计位置模型中复合扰动项,利用模糊系统逼近姿态模型中不确定项和外界干扰,并引入双曲正切函数和辅助系统处理输入受限问题,结合反演法和动态面技术设计轨迹跟踪控制器,以降低控制算法的复杂性,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界.应用大疆M100飞行器模型进行仿真验证,结果表明所设计的控制器能够有效处理模型动态不确定和未知外界干扰问题,避免飞行器工作过程中因输入饱和导致执行器失效现象,精确地完成轨迹跟踪控制任务.     

一类输入受限的不确定非仿射非线性系统二阶动态terminal 滑模控制

针对一类输入受限的不确定非仿射非线性系统跟踪控制问题, 提出一种二阶动态terminal 滑模控制策略. 在不损失模型精度, 并考虑系统输入饱和受限的前提下, 给出一种适用于全局的不确定非仿射非线性系统近似方法. 提出小波小脑模型干扰观测器设计方法, 实现复合扰动的有效逼近. 构造辅助系统分析输入饱和对跟踪误差的影响. 通过构造基于PI 滑模面的terminal 二阶滑模面, 给出二阶动态terminal 滑模控制器设计过程, 克服了传统滑模的抖振问题. 仿真结果验证了所提出方法的有效性.

     

具有输入饱和的无人两栖平台路径跟踪北大核心

研究了输入饱和影响下的无人两栖平台路径跟踪控制问题,提出了一种基于观测器的抗饱和反步控制方法。该方法将实际控制输入分解为不受限的理想控制输入与执行机构无法响应的控制输入两部分,后者可视为等效干扰并与真实外界干扰合并应用干扰观测器进行估计和补偿。针对具有理想控制输入的非完全对称无人两栖平台模型,基于line-of-sight (LOS)导引律及反步控制理论设计了抗饱和控制器,Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的所有信号一致最终有界。数值仿真结果表明:所设计的控制器能有效地削弱输入饱和对系统造成的影响,实现对预定路径的稳定跟踪。     

输入受限的非仿射纯反馈不确定系统自适应动态面容错控制

针对存在执行器故障和输入饱和受限的非仿射纯反馈不确定动态系统,提出了一种自适应动态面容错控制策略.在不损失模型精度和考虑系统输入饱和受限的前提下,基于中值定理将非仿射系统转化为具有线性结构的时变不确定系统,在此基础上,再利用参数自适应投影技术对有界不确定时变参数进行在线估计,参数估计误差和外界扰动采用非线性动态阻尼技术进行补偿,并利用双曲正切函数和Nussbaum函数处理系统输入饱和受限和控制增益函数方向未知的问题,同时将反演法和动态面法相结合设计鲁棒自适应控制器,消除了反演法的计算膨胀问题,并且在系统出现执行器失效故障的情况下可确保稳定跟踪.最后,根据解耦反推法,基于Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的半全局一致最终有界.仿真结果验证了所设计控制方案的可行性与有效性.     

基于高增益观测器的船舶动力定位系统的输出反馈控制

针对动力定位船舶的速度向量不可测的问题, 考虑外部环境扰动, 将高增益观测器、动态面控制技术和矢量backstepping方法相结合, 设计仅依赖于船舶位置和艏摇角测量值的船舶动力定位系统输出反馈控制律. 动态面控制技术的引入, 使控制律结构简单, 易于工程实现. 应用Lyapunov函数证明了所设计的控制律能迫使船舶的位置和艏摇角收敛于期望值, 并保证船舶动力定位输出反馈闭环系统所有信号均一致最终有界. 基于一艘供给船的仿真研究验证了所设计的基于高增益观测器的船舶动力定位输出反馈控制律的有效性.     

具有输入死区与扰动的四旋翼无人机自抗扰控制

研究了具有输入死区与扰动的四旋翼无人机的姿态控制问题。由于输入死区普遍存在于四旋翼无人机的执行机构,并且易受到扰动的影响。针对具有输入死区与扰动的四旋翼无人机系统,设计基于自抗扰的动态面控制器。采用自抗扰控制算法设计扩张状态观测器估计系统的总扰动,采用动态面方法设计控制律。所设计的控制器使四旋翼无人机实现对期望姿态角跟踪。仿真结果验证了该方案的有效性。     

单输入线性系统的改进型动态抗饱和设计

本文基于状态重置的改进型动态抗饱和补偿方案, 研究了具有单输入的线性饱和系统的抗饱和控制问题. 相比较于传统的动态抗饱和补偿方案, 当执行器不饱和时, 改进的动态抗饱和补偿方案把动态抗饱和补偿器的状态重置为零. 所以当执行器不饱和时, 改进的动态抗饱和补偿器将不会对控制器进行补偿. 进一步的, 提出了一个时间依赖的Lyapunov函数来分析闭环系统的稳定性, 并以LMIs的形式给出了闭环系统的控制综合条件. 最后, 通过压电纳米运动平台验证了所提出的改进型动态抗饱和补偿方案的有效性。     

具有未知动态的船舶编队输出反馈控制

研究了仅利用相对位置信息和相对航向信息的船舶编队输出反馈控制问题.首先使用leader-follower策略,建立了船舶编队的运动学模型.然后应用微分同胚变换将系统解耦成3个子系统.根据船舶低频运动的特点,在跟随船水动力学模型中粘性水动力和力矩未知以及所有船舶速度都不可测量的假定下,提出了一种高增益广义比例积分观测器来估计这些未知和不可测量动态.在高增益广义比例积分观测器的基础上,分别设计了线性输出反馈控制器和输入饱和受限的输出反馈控制器,并分析了闭环系统的稳定性.最后仿真结果表明了方法的有效性.     

带执行器饱和的柔性关节机器人位置反馈动态面控制

针对带有执行器饱和的柔性关节机器人系统,提出一种位置反馈动态面控制,以实现机器人连杆的角位置跟踪.在一般动态面控制的设计框架下,设计观测器重构系统未知速度状态,利用径向基函数神经网络学习饱和非线性特性,结合“最小参数学习”算法减轻计算负担.通过Lyapunov方法证明得出闭环系统所有信号半全局一致有界,跟踪误差可以通过调节控制器参数达到任意小.仿真结果表明,控制系统能够克服外界干扰,有效补偿系统存在的执行器饱和,实现柔性关节机器人的准确跟踪控制.该方法避免了传统反演设计存在的“微分爆炸”现象,简化了设计过程.     

基于滑移矩阵的铺管路径规划与导引控制方法.

为了实现深水海洋管道的连续铺管作业、满足铺管的路径和导引信息的自动更等新要求,提出了一种基于滑动矩阵的路径分析、路径映射与路径导引的方法,建立了一种基于铺管接触距离的管道路径和船舶路径的映射关系,给出了一种适合动力定位铺管船的曲线路径跟踪的LOS视线导引算法,设计了一种船舶位置、姿态和速度控制的多目标铺管运动控制器。海洋连续铺管仿真作业的结果表明：本方法可在风浪流的环境干扰下,实现连续铺管作业过程中的路径自动识别、自动规划、自动导引和位置控制等目标,同时满足铺管速度和航向角等控制要求,对于船舶动力定位和水下机器人运动的路径规划和导引控制方法的研究具有较强的理论意义和工程价值。     

具有输入饱和的轧机液压伺服系统鲁棒动态输出反馈控制

针对具有状态不可测、参数不确定和输入饱和的轧机液压伺服位置系统,提出一种基于anti-windup的抗饱和鲁棒动态输出反馈控制算法.首先,应用Finsler引理,将闭环系统稳定的充分条件转化为LMI条件,并解得控制器参数矩阵;然后,综合考虑系统的干扰抑制能力和稳定域大小,求解优化问题,得到anti-windup增益矩阵.可以证明,所设计的控制器能够保证闭环系统一致有界稳定,并具有鲁棒 ∞性能.将所提出的算法应用于某650 mm可逆轧机液压伺服位置系统中进行仿真,其结果验证了所提出算法的有效性.     

直流变流器的输出反馈动态面控制

在直流变流器控制性能优化问题的研究中,针对负载不确定的Buck型直流变换器模型,采用自适应动态面方法设计控制器,使其输出电压能准确地跟踪参考电压,解决不确定负载对系统稳定性的影响和输入受限问题,另外本设计中的控制器无需测量电感电流,达到节约成本减少误差的目的.运用动态面法将一阶滤波器引入到反步法的设计中,克服传统反步法中方程项数的膨胀和复杂的求导问题,对系统不确定因素有良好的自适应性.设计状态观测器实现输出反馈控制,减少一个状态变量的测量.考虑输入受限问题,引入一个辅助控制变量,保证系统输入在指定范围内.由李亚普诺夫稳定理论证明该闭环系统是一致最终有界的,跟踪误差收敛在原点附近的较小邻域内,仿真结果验证了控制器的有效性.     

轮式移动机器人的数据驱动轨迹跟踪滑模约束控制

针对有输入饱和约束的轮式移动机器人(WMR)的轨迹跟踪问题,提出一种抗饱和无模型自适应积分终端滑模控制方案.该方案基于紧格式动态线性化技术,构建WMR系统的在线数据驱动模型.在积分终端滑模控制器设计过程中,引入动态抗饱和补偿器,以解决WMR系统轨迹跟踪过程中执行器饱和问题.控制器设计仅利用控制系统的输入输出数据,与WMR系统模型信息无关.因此,针对不同类型的WMR系统,该方案均可实现.最后,通过仿真实验将所提出的方法与PID方法的控制效果进行对比,仿真结果表明,所提出的控制算法的跟踪误差更小且响应速度更快.     

输入受限的非线性系统自适应模糊backstepping控制

针对一类输入受限的非线性系统,提出了一种自适应模糊backsteppig控制器的设计方法.在控制器的设计过程当中,采用模糊系统对不确定非线性函数在线逼近;利用双曲正切函数和Nussbaum函数对系统输入饱和函数进行处理;将动态面法与backstepping法相结合解决"计算膨胀"的问题.通过Lyapunov理论分析证明了所设计的控制器能够使闭环系统所有信号半全局一致有界(SGUUB).最后应用于高超声速飞行器的攻角跟踪控制中,仿真结果表明该方法的有效性.     

一类具有执行器饱和的非线性系统抗饱和方法研究

针对一类具有执行器饱和的非线性控制系统, 提出了一种双环路的动态抗饱和补偿方案, 为执行器输出受限的非线性系统提供了新思路. 与现有结果相比, 所提方案能更好地改善闭环系统控制性能. 考虑执行器饱和约束, 通过优化执行器饱和发生前后控制器的状态误差的积分性能指标, 综合设计一类同时包含传统抗饱和及延迟抗饱和补偿器两个环路的改进抗饱和补偿器, 这类补偿器有效地抑制了饱和现象对控制器的影响, 从而降低了执行器饱和对控制系统性能的影响. 当系统存在高饱和度现象时, 利用该双环路抗饱和补偿器, 可以最大程度弱化饱和对系统性能的影响. 最后, 利用输入状态稳定 (Input state stability, ISS) 定理分析和证明了该闭环系统全局一致有界稳定. 并通过舵机执行器受约束的舵减横摇系统的仿真试验, 验证了该方案的有效性及优越性.     

带输入饱和的双摆桥式起重机神经网络滑模控制

针对现代工业中输入饱和受限的双摆桥式起重机防摇摆控制问题,设计了一种基于神经网络的非奇异终端滑模控制器。首先,分析起重机的非线性动力学系统,并引入抗饱和模块将系统所需的控制力限制在驱动电机能提供的最大驱动力内;然后,采用部分状态信息反馈控制设计控制器,该控制器只需起重机小车位置、速度的反馈信息,无须实时测量吊重和摆角;之后,利用所提控制器跟踪经过规划的S形平滑函数,并用神经网络逼近起重机系统中复杂未知的非线性函数部分;最后,通过李雅普诺夫稳定性理论对系统状态的稳定性进行分析。仿真结果表明,所提控制器能在保证起重机小车准确定位的同时,有效抑制吊钩和重物的残余摆动,并且对外界干扰具有较强的鲁棒性。     

考虑输入受限的航天器安全接近姿轨耦合控制

针对存在外部扰动和输入受限的航天器安全接近的问题,当扰动上界未知时,基于积分滑模控制理论设计了抗饱和的有限时间自适应姿轨耦合控制器.控制器的设计过程中采用了新型的避碰函数限制追踪航天器运动区域进而保证接近过程中航天器的安全性,同时通过辅助系统和自适应算法分别处理了输入受限和扰动上界未知.借助李雅普诺夫理论证明了在控制器的作用下系统状态在有限时间内收敛,且能够保证追踪航天器在实现航天器接近的过程中不与目标航天器发生碰撞.最后通过数字仿真进一步验证了所设计控制器的有效性.     

新能源汽车电静液制动系统抗饱和反演控制

对电静液制动系统存在的未知非线性及参数时变特点,提出一种控制输入受限条件下的反演控制策略。建立电静液作动器的状态空间模型并表达为严格反馈形式,将建模误差及未建模动态视为未知干扰,结合反演步骤设计参数自适应律,实时估计未知扰动。设计抗饱和补偿器,将控制器输出与被控对象输入信号之差作为抗饱和补偿器的输入,构成反馈回路消除饱和现象。应用Lyapunov方法证明闭环系统的渐近稳定性,闭环系统信号一致有界,压力跟踪误差可通过改变补偿器的参数进行调节。仿真及试验结果表明,所提控制方法具有较强的自适应能力,与传统反演方法相比,鲁棒性和控制性能得到显著提高。     

输入受限的非仿射无人帆船航向系统自适应动态面控制

针对输入受限和控制方向未知的无人帆船航向控制问题,考虑系统模型存在动态不确定和未知外界扰动的情况,本文提出一种基于非仿射航向运动数学模型的最小参数自适应递归滑模动态面控制策略.该策略通过Taylor展开方法将非仿射模型转化为具有线性结构的仿射时变系统,采用最小参数学习(minimal learning parameter,MLP)神经网络逼近无人帆船模型不确定部分,并利用双曲正切函数处理控制输入饱和现象,引入Nussbaum函数处理系统中未知控制方向问题,同时综合考虑帆船艏摇角速度误差和航向误差之间关系设计递归滑模动态面舵角控制律,并设计参数自适应律对神经网络逼近误差与复合干扰总和的界进行估计.选取李雅普诺夫函数证明了所设计控制器能够保证航向闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘12 m无人帆船进行仿真验证,结果表明无人帆船航向控制响应速度快,所设计的控制器能有效地处理模型不确定项和风浪等外界扰动,具有较强的鲁棒性.