一类非线性不确定系统的滑模反演控制

针对一类存在未知复合扰动的高阶非线性系统,提出一种基于有限时间干扰观测器的反演非奇异快速终端滑模控制方法。采用有限时间干扰观测器对复合扰动进行快速精确估计并设计控制器鲁棒项进行补偿。采用反演控制处理高阶非线性系统,结合动态面控制设计虚拟控制律;同时设计非奇异快速终端滑模控制律,提高系统的收敛速度和控制精度,并通过Lyapunov理论证明了系统跟踪误差一致最终有界。通过数值仿真验证了所提控制方法的有效性和可行性。     

RDOB的复合滑模控制及其在稳定平台的应用

针对扰动对稳定平台跟踪精度的影响,提出了一种新型复合滑模控制算法.首先,针对等效干扰,使用鲁棒H∞混合灵敏度控制设计鲁棒干扰观测器(RDOB),有效地优化了干扰观测器的滤波器,对等效干扰实现了快速精确的估计与补偿,改善了系统的抗干扰能力;其次,为了提高系统的跟踪精度,结合有限时间理论,设计了新型的滑模控制器(NSMC),Lyapunov函数证明了系统在有限时间内收敛.仿真结果证明了控制策略的有效性.     

干扰观测器补偿的四旋翼飞行器自适应离散终端滑模控制

传统的离散线性滑模应用于四旋翼飞行器控制具有跟踪误差大、响应速度慢、不能有限时间收敛等问题,针对具有外干扰、系统不确定和建模误差的四旋翼飞行器,提出了干扰观测器补偿的自适应离散终端滑模控制。首先,对一类包括四旋翼飞行器模型的离散化方程推导了终端滑模控制律,引入自适应律因子减小抖振,构造了以状态变量的平方作为干扰误差收敛速度的改进型离散干扰观测器,且证明了它的稳定性,再利用改进的离散干扰观测器获取未知干扰、不确定和建模误差的高精度估计,并用于控制器设计补偿项,提高鲁棒性和减小稳态误差,再对整个系统的稳定性做了严格的证明。最后将提出方法用于四旋翼飞行器控制,Matlab仿真分析表明,干扰观测器补偿的自适应离散终端滑模控制比离散终端滑模等其他控制方法具有响应时间更快、跟踪效果更理想、鲁棒性更强等特点,实现了在不确定干扰的情况下飞行器姿态的稳定控制。     

分数阶复合控制在光电稳定平台中的应用

针对高精度光电稳定平台系统的跟踪精度易受到摩擦力矩和非线性干扰等因素的影响,运用加性分解理论将光电稳定平台系统分解为主系统和辅系统。主系统采用基于加速度的分数阶PID控制方法,确保视轴的跟踪精度。针对辅系统提出了基于速度信号的分数阶干扰观测器(FO-VDOB)的设计方法,利用分数阶的阶次能够在实数范围内任意选取的特点,可以更好地解决干扰抑制和估计补偿,保证视轴的稳定。结合分数阶理论设计分数阶滑模补偿器,在辅系统中进一步补偿未知的干扰。利用有限时间收敛理论和李雅普诺夫理论证明了系统在有限时间内达到了稳定。实验结果表明,该方法使得光电稳定平台系统对运动目标具有很高的跟踪精度。     

机械臂自适应非奇异快速终端滑模控制

针对刚性机械臂有限时间鲁棒控制问题,提出了一种新的自适应非奇异快速终端滑模控制方法.该方法将非奇异快速终端滑模控制与自适应律相结合,使用非奇异快速终端滑模面加快机械臂轨迹跟踪误差的收敛速度,解决了终端滑模中的奇异问题;通过双曲正切函数代替符号函数减小控制输入的抖振;利用自适应律对未知的外部扰动和系统的不确定性进行估计,...     

新型混联式输送机构的全局快速终端滑模控制

针对一种新型混联式汽车电泳涂装输送机构,首先采用拉格朗日法建立其动力学模型,据此设计一种全局快速终端滑模控制器,给出该系统理论收敛时间,并用Lyapunov稳定性定理证明其稳定性。通过MATLAB将全局快速终端滑模控制与趋近律滑模控制进行仿真比较,结果表明全局快速终端滑模控制器能提高系统的响应速度、跟踪精度,并具有全局鲁棒性。     

基于非线性干扰观测器不确定系统的终端滑模控制

针对一类存在非匹配干扰和建模误差的高阶非线性系统,结合滤波反步控制方法,设计一种基于非线性干扰观测器的自适应反步非奇异终端滑模控制方案。首先,设计一种有限时间稳定的非线性干扰观测器,以此对非匹配干扰进行估计和补偿。采用反步控制处理高阶不确定非线性系统,结合动态面控制设计虚拟控制律,避免传统反步设计中存在的"微分爆炸"问题;第n步结合自适应控制和非线性干扰观测器,设计非奇异终端滑模控制律,消除建模误差和非匹配干扰对系统的影响。基于Lyapunov理论证明跟踪误差一致最终有界。仿真结果验证了所设计控制方案的有效性。     

一类非线性系统的新型固定时间滑模控制

针对一类大初始状态含有匹配扰动的不确定非线性系统,在传统终端滑模面的终端吸引子前加入可调指数的非线性项,提出一种新型非奇异固定时间滑模控制方法。传统的线性滑模、终端滑模、快速终端滑模均是这种新型滑模的特例;当新型滑模面的幂指数N1时,新型滑模是固定时间收敛的,并且收敛时间具有与初始状态无关的上界。进一步证明所提方案优于快速终端滑模,并分析了参数选择对收敛特性的影响并总结规律。基于李雅普诺夫稳定理论,构造一种适用于二阶非线性系统的非奇异固定时间滑模控制器,证明了控制误差在固定时间内收敛于一任意小闭球内。进行四旋翼飞行器姿态控制仿真验证了所提方法具有更快的收敛速度、更强的鲁棒性和更小的稳态误差。     

重装空投过程的有限时间收敛自适应滑模控制

针对带有不确定性且不确定性边界未知的重装空投过程飞机运动系统,提出了一种有限时间收敛增益自适应滑模控制律。该控制律由标称控制和补偿控制两部分构成,前者用于获得有限时间的收敛性能,后者用于克服不确定性,提高系统鲁棒性。采用自适应方法在线近似补偿控制器的增益,解决了控制增益选取依赖于不确定性边界的问题,并有效抑制了滑模控制的抖振现象。理论分析表明,该方法能够保证飞机速度和俯仰角的跟踪误差有限时间收敛。仿真验证了控制方法的有效性和优越性。     

四旋翼飞行器自稳定和轨迹跟踪控制研究

针对四旋翼飞行器自稳定飞行和轨迹跟踪控制问题,提出了一种多模态滑模姿态控制和新型回馈递推轨迹跟踪控制方法。首先,依据牛顿第二定律和欧拉方程建立了运动学方程,由于外环位置跟踪控制与内环姿态存在严重耦合,外环位置控制器采用新型回馈递推法设计,简单有效,同时降低了工程实现难度。其次,内环姿态控制根据多模态滑模设计理念,结合线性滑模和非奇异终端滑模特点设计了切换型滑模控制律,使得系统状态能够在最优模态下运行,同时保证系统的到达时间和滑动时间都是有限的,实现了全局快速收敛。最后,仿真实验数据表明所设计的控制器能够快速跟踪期望姿态和轨迹,具有较好的控制效果。     

新型三相三线制并联有源滤波器的滑模控制方法

为了提高有源滤波器的谐波补偿效果,设计了一种新型滑模控制器,用于三相三线制并联有源滤波器的参考电流跟踪控制.谐波电流检测方法采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法,能快速、准确的检测出负载电流中的谐波分量.直流侧电压控制方法采用PI控制方法实现.Simulink仿真结果显示,与传统的滞环比较控制方法相比,所设计的新型滑模控制方法能够有效的降低跟踪误差,提高有源滤波器的谐波补偿效果.     

三轴机载光电系统的模糊滑模鲁棒控制方法

为了克服机体振动和气流扰动对三轴机载光电系统对准精度的影响,提出了一种模糊滑模鲁棒控制方法。首先根据坐标转换关系建立了三轴机载光电系统的数学模型,然后引入模糊算法准确估计干扰大小,并设计了模糊滑模鲁棒控制律,最后给出了稳定性分析,能够确保三轴机载光电系统对目标方位的高精度跟踪。仿真结果表明:提出的方法与分数阶控制方法相比,表现出了更优的控制效果,可在300 ms内稳定跟踪指令信号,最大干扰估计误差仅为0.2 N·m,且具有更高的控制精度,对俯仰角、滚转角和航向角的最大跟踪误差分别仅为0.5°、0.7°和0.4°,大幅提高了三轴机载光电系统的对准精度。     

Adaptive incremental sliding mode control for a robot manipulator

An adaptive incremental sliding mode control (AISMC) scheme for a robot manipulator is presented in this paper. Firstly, an incremental backstepping (IBS) controller is designed using time-delay estimation (TDE) to reduce dependence on the mathematical model. After substituting IBS controller into the nonlinear system, a linear system w.r.t. tracking errors is obtained while TDE error is the disturbance. Then, the AISMC scheme, including a nominal controller and an SMC, is developed for the resulted linear system to improve control performance. According to the equivalent control method, the SMC in the AISMC scheme is to handle TDE error. To receive optimal control performance at the sliding manifold, an LQR controller is selected as the nominal controller. The SMC is designed based on positive semi-definite barrier function (PSDBF) since it prevents switching gains from being over/under-estimated, and two practical problems are addressed in this paper: A new PSDBF is designed and conservative (large) setting bounds affecting tracking precision and/or system stability are avoided; An improved PSDBF based SMC is developed where the PSDBF and an adaptive parameter are used simultaneously to regulate switching gains, and the system is still stable when sliding variable occasionally exceeds the predefined vicinity. Moreover, finite-time convergence property of the sliding variable is strictly analyzed. Finally, real-time experiments are conducted to verify the effectiveness of the proposed control method.     

线性扩张状态观测器的改进及在空间光通信粗跟踪的应用

针对传统自抗扰控制器的扰动补偿效果随着扰动频率增加迅速下降的问题,提出了一种基于改进的线性扩张状态观测器的自抗扰控制方法。该方法首先对粗跟踪进行系统分析、简化及辨识;然后对线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证,从理论上指出其不足,提出了一种改进的线性扩张状态观测器;最后将改进的算法与PID调节器相结合,实现了粗跟踪的自抗扰控制。实验结果表明:针对幅度在1、频率在0.5~2.5 Hz间的外部位置扰动,传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加,扰动隔离度下降非常明显,2 Hz时的提升程度仅为0.5 Hz处的9.5%;而采用改进的算法使扰动隔离度至少提高了4.146 dB,且随着扰动频率的增加,扰动隔离度的提升非常稳定,2.5 Hz时的提升程度与0.5 Hz处几乎一致;此外,该方法有较好的鲁棒性,允许被控对象在20%的范围内变化。理论分析、仿真分析、物理实验均证明该方法的有效性,对类似的光电跟踪系统有一定的参考价值。     

Continuous variable structure controller for BLDDSM positioncontrol with prescribed tracking performance

The continuous, accurate, and robust sliding mode tracking controller based on a disturbance observer for a brushless direct drive servo motor (BLDDSM) is presented. Although the conventional sliding mode control (SMC) or variable structure control (VSC) can give the desired tracking performance, there exists an inevitable chattering problem in control which is undesirable for a direct drive system. With the proposed algorithm, not only are the chattering problems removed, but also the prescribed tracking performance can be obtained by using the efficient compensation of the disturbance observer. The design of the sliding mode tracking controller for the prescribed, accurate, and robust tracking performance without the chattering problem is given based on the results of the detailed stability analysis. The usefulness of the proposed algorithm is demonstrated through the computer simulations for a BLDDSM under load variations     

反作用轮实现微纳卫星光电跟踪物理仿真

为了验证以反作用轮为执行机构实现姿态机动,完成微纳卫星对运动目标跟踪的可行性,设计了基于单轴气浮台的微纳卫星光电跟踪物理仿真系统。首先,为提高物理仿真系统的性能,分别对反作用轮和气浮台的干扰力矩进行分析;其次,针对反作用轮存在的干扰力矩和加、减速时间常数不对称的问题,设计了增益调度和力矩补偿相结合的反作用轮控制策略;再其次,采用双闭环-速度前馈的控制结构,完成了微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统的设计;最后,为了验证仿真系统的跟踪性能,对作正弦运动的一维靶标进行跟踪。实验表明:对于跟踪最大速度为9（）/s、最大角加速度为4.5（）/s2的正弦运动靶标,物理仿真平台的跟踪精度达到0.4,从而说明以反作用轮为执行机构实现姿态机动,微纳卫星可以实现对运动目标的跟踪。     

Sliding mode control combined with extended state observer for an ankle exoskeleton driven by electrical motor

A novel sliding mode control combined with extended state observer (ESO) is proposed for an ankle exoskeleton driven by electrical motor. During the process of assisting, it is necessary to design an effective controller for assisting torque of ankle exoskeleton. However, the parameter uncertainty of complex dynamics model and the irregular motion of human ankle may affect the torque control accuracy. For a high control precision of assisting torque when facing the modeling uncertainty, the sliding mode control is employed, but a large switching gain is usually needed in order to suppress the disturbance, which cause the control signal vibrate greatly. ESO can observe and suppress the disturbance and modeling uncertainty, but its tracking performance needs to be improved. Therefore, the proposed complex controller takes the advantages of sliding mode control and extended state observer, which can not only improve torque tracking performance but also overcome the disturbance force caused by the change of human joint angle without increasing chattering of control signal. Experimental studies are carried out to validate the effectiveness of the proposed control. The results show the presented controller have better torque tracking performance and robustness stability, and the proposed controller can reduce the chattering compared with the tradition sliding mode control.     

摩擦自适应补偿在导引头稳定平台控制系统中的应用

为提高两轴双框架导引头稳定平台的隔离度,设计了导引头控制系统。在惯性空间基础上,建立了导引头的隔离度模型,分析了影响系统隔离度的主要因素。根据对系统摩擦性质的分析,建立了系统的摩擦模型,并确定了摩擦补偿算法。采用极点配置和超前滞后的方法设计了控制器,并通过仿真和实验的方法验证了摩擦自适应补偿算法的可行性。俯仰单通道仿真结果表明,摩擦自适应补偿算法能准确估计出模型参数,且在弹体扰动幅值为1,频率为2 Hz时,系统在摩擦自适应补偿后,俯仰框隔离度提高了97.14%。实验结果显示,在弹体扰动幅值为1,频率为2 Hz时,导引头俯仰框和偏航框的隔离度分别为1.58%和1.81%;在弹体扰动幅值为3,频率为3 Hz时,导引头俯仰框和偏航框的隔离度分别为2.84%和2.15%。     

光电平台角位置信息摩擦观测补偿技术

为了提高光电伺服稳定平台的稳像精度,根据平台所受摩擦扰动作用原理,提出一种基于机构运行角位置信息的摩擦观测补偿方法。首先,建立光电伺服平台精确控制模型,并运用LuGre摩擦模型对平台所受摩擦力矩进行分析;然后,基于机构运行的角位置信息,采用最小二乘法进行加速度估计,设计基于机构运行角位置信息的扰动观测器进行摩擦观测补偿;最后,在Matlab/simulink中建立系统仿真平台,进行仿真及实验验证。将稳定平台安装于模拟转台上进行实验,给转台施加10 Hz正弦信号,对平台摩擦观测补偿前后的实验数据进行对比分析,实验结果表明,该补偿方案在模拟飞行转台以10 Hz频率做正弦运动的情况下,摩擦观测补偿前后,平台稳像精度由26 μrad减小到17 μrad,性能提升34.6%,该方法可以有效增强系统的抗干扰能力,提高系统稳定性能。     

高超声速飞行器递阶滑模控制研究

针对高超声速飞行器轨迹高度和速度跟踪控制问题,基于纵向动力学的输入/输出线性化模型,设计了递阶滑模控制器和非线性扰动观测器,用于解决系统存在不确定性问题和执行机构带有死区非线性问题,对于所设计的控制器和观测器进行了稳定性分析,并且通过仿真验证了本文提出的方法能够提高系统的收敛速度和收敛精度并能克服执行机构死区的影响。