基于扩张状态观测器的二质量系统非奇异快速终端滑模控制

针对含未知负载信息的二质量伺服系统,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的非奇异快速终端滑模控制方法.首先,利用电机侧位置信息设计有限时间扩张状态观测器估计系统的扰动,并将估计值融入到控制器中作为前馈项对系统的未知扰动进行补偿;然后,引入一种新型的滑模趋近律,该趋近律能够避免传统滑模控制中存在的奇异性问题,据此设计非奇异快速终端滑模控制器,保证系统状态在有限时间内收敛到原点,并根据李雅普诺夫稳定性理论分析闭环系统的稳定性;最后,通过仿真和实验验证所提出方法的优越性.结果表明,与传统的PID等控制相比较,所提出的基于扩张状态观测器的有限时间滑模控制方法能够提高系统的跟踪性能,并有效增强二质量伺服系统的抗扰动能力.     

基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模再入姿态控制

针对再入飞行器鲁棒姿态控制问题, 提出一种基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模控制器设计方法. 首先, 设计了一种时变滑模面, 并在此基础上推导了相应的时变滑模控制律, 其中滑模控制中切换增益通过一种自适应算法获得, 消除了控制器设计过程中对系统不确定性上界已知的要求; 然后, 利用高阶滑模观测器对控制器设计过程中用到的姿态角导数信息进行观测, 同时能够获得系统扰动估计值, 从而构造一种基于观测器的控制器形式; 最后, 通过仿真验证了所提出的控制算法在提高再入飞行器姿态控制精度以及系统鲁棒性方面的有效性.     

基于扰动观测器的双容水箱液位系统自适应滑模控制

针对存在外部扰动的双容水箱液位系统,为了实现精确的液位控制,该文提出了一种基于非线性扰动观测器的自适应滑模控制方法。设计了含积分作用的滑模面和自适应滑模趋近律,以提高趋近速度和控制精度,并且减小抖振。同时提出了一种非线性扰动观测器估计系统的外部扰动,并将估计值前馈补偿到自适应滑模控制器。通过李亚普诺夫稳定性定理证明了该控制策略的闭环系统稳定性。仿真和实验结果表明,在系统存在外部干扰的环境下,所提出的控制策略与传统滑模控制方法相比,控制精度更高且干扰抑制能力更强。     

非匹配扰动下双吊具起升系统的同步控制

针对具有非匹配扰动的双吊具起升系统的同步协调控制问题,提出一种基于时变扩张状态观测器的移动滑模控制方法。首先,结合交叉耦合控制策略,提出了一种移动滑模控制器,可保证系统在初始状态下具有较好的鲁棒性。其次,设计了一种自适应切换律和趋近律,该方法不仅实现了系统状态误差的快速收敛,同时可有效抑制滑模控制器中存在的抖振现象。在此基础上,为抑制系统中存在的非匹配扰动,设计了一种新型的时变扩张状态观测器,使所提控制器对非匹配扰动也具有较好的鲁棒性。此外,利用李雅普诺夫理论证明了闭环控制系统的稳定性。最后,通过仿真验证了所提控制器的有效性和可靠性。     

未知扰动下双起升桥吊时变滑模同步控制

为实现双起升桥吊系统在未知扰动下的同步控制,提出了一种基于变增益扩张状态观测器的时变滑模控制方案。首先,基于耦合误差设计了一种新的时变滑模面,可有效消除趋近阶段,确保初始状态系统的全局鲁棒性;其次,改进的超螺旋算法有效抑制控制器中的抖振现象;然后,变增益扩张状态观测器的设计是为了估计补偿系统中存在的非匹配干扰,有效增强了控制器的鲁棒性;此外,李雅普诺夫理论用于证明受控系统的稳定性。最后,通过仿真验证了所设计的控制器可以有效实现双起升桥吊系统的同步控制。     

双起升桥吊双吊具同步协调控制

针对双起升桥式吊车双吊具同步协调运行过程中普遍存在的系统参数变化和摩擦等不确定扰动问题, 本文基于双吊具的非线性感应电机动态数学模型及其耦合动力学模型, 提出了一种时变分层增量式滑模控制和自适应补偿相结合的双吊具同步协调控制方法. 该方法首先利用时变滑模技术实现了控制器在滑模趋近阶段的鲁棒性控制, 并采用分层增量形式的滑模面设计方法简化了控制器参数选取. 然后, 采用自适应补偿技术抑制了双吊具运行中存在的不确定扰动, 同时减小了切换函数的增益值. 此外, 在切换函数设计中采用了指数趋近技术, 使滑模控制器的抖振现象明显降低. 最后, 利用Lyapunov方法证明了该方法的全局稳定性和收敛性, 并通过数值仿真和物理实验验证了该方法的有效性.     

基于螺旋算法的桥吊时变滑模控制器设计

针对桥吊防摇定位控制中普遍存在的参数变化和摩擦等不确定性扰动以及滑模变结构控制的抖振问题,基于LuGre摩擦力模型和桥吊的动力学模型,采用基于螺旋算法的二阶滑模控制技术,提出了一种基于螺旋算法的时变滑模控制方法;该方法首先利用时变滑模技术实现了控制器在滑模趋近阶段无鲁棒性的问题,然后采用螺旋算法抑制了桥吊运行过程中存在的不确定性扰动,并且使得控制律为连续信号,从而有效抑制了抖振;利用李雅普诺夫方法证明了该控制器全局稳定性,并保证其有限时间内收敛特性;仿真结果表明了控制方法的有效性。     

轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究

针对轮式移动机器人参数摄动和内外部扰动等问题,提出一种新型的基于自适应扩张状态观测器的滑模控制算法。采用自适应虚拟速度控制器估计系统未知参数,滑模控制器抑制参数摄动和内外部扰动,非线性扩张状态观测器观测系统扰动并减小控制输入的抖振,实现了轨迹跟踪误差的快速收敛。利用Lyapunov稳定性理论证明了控制算法的稳定收敛性。将所提算法与传统自适应反演滑模算法进行对比,对比结果表明了所提算法的有效性和鲁棒性。     

基于ESO的Buck型变换器趋近律控制

针对Buck型变换器系统中存在的时变干扰,如输出负载波动,本文提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的趋近律控制方法。首先,对系统中存在的时变干扰进行建模,把抑制时变干扰问题转换为抑制匹配和非匹配扰动问题。其次,设计一种扩张状态观测器,用于估计匹配和非匹配扰动。然后,根据提出的新型指数幂次趋近律设计滑模控制器,结合ESO,有效抑制时变干扰对系统的影响,并通过Lyapunov稳定性定理分析观测器的收敛性和闭环控制系统的稳定性。最后,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

PMSM调速系统的自学习滑模控制

针对永磁同步电机存在对外界扰动及内部参数摄动较为敏感的问题,提出了一种自学习滑模控制方法.该方法设计了一类非线性光滑函数,并将其应用于扩张状态观测器和滑模趋近律中,同时采用最速下降法对滑模控制器增益参数进行自学习实时更新.仿真结果表明,与常规PI矢量控制方法相比,该控制方法不仅响应速度快、控制精度高,而且对系统外部扰动具有很强的抗扰能力.     

Reduced-order Generalized Proportional Integral Observer Based Continuous Dynamic Sliding Mode Control for Magnetic Levitation System with Time-varying Disturbances

In order to reduce the influence of time-varying disturbances for magnetic levitation system, we propose a reduced-order generalized proportional integral observer (RGPIO) based continuous dynamic sliding mode control scheme for magnetic levitation system in this paper. Unlike the popular extended state observer (ESO), it could deal with constant or slowing varying disturbances from theoretical point of view, the reduced-order generalized proportional integral observer (RGPIO) is designed to estimate the time-varying disturbances and system states, then the dynamic sliding mode surface is developed and deduce a continuous sliding mode controller (CSMC) for magnetic levitation system. Compared with ESO based continuous sliding mode controller, the proposed method not only ensures the position tracking accuracy, but also obtain better time-varying disturbance reject ability. Simulation and experimental results are also given to verify the effectiveness.

     

不确定扰动下双起升桥吊双吊具鲁棒自适应滑模同步协调控制

双起升桥吊双吊具存在的参数摄动和不确定干扰问题严重影响了双吊具同步协调运行的效果. 鉴于此, 分析桥吊双吊具不同工作模式的运行特性, 采用交叉耦合策略, 提出一种基于参数自整定的双吊具鲁棒自适应滑模同步协调控制方法. 采用变边界层技术解决滑膜控制需折中稳态误差和抖振平滑的难题, 利用自整定切换函数增益消除不确定扰动, 并利用Lyapunov 理论证明控制器的渐近稳定性. 桥吊控制实验表明了所提出方法的有效性.

     

Composite Hierarchical Anti-Disturbance Control of a Quadrotor UAV in the Presence of Matched and Mismatched Disturbances

Quadrotor helicopter is an unstable system subject to matched and mismatched disturbances. To stabilize the quadrotor dynamics in the presence of these disturbances, the application of a composite hierarchical anti-disturbance controller, combining a sliding mode controller and a disturbance observer, is presented in this paper. The disturbance observer is used to attenuate the effect of constant and slow time-varying disturbances. Whereas, the sliding mode controller is used to attenuate the effect of fast time-varying disturbances. In addition, sliding mode control attenuates the effect of the disturbance observer estimation errors of the constant and slow time-varying disturbances. In this approach, the upper bounds of the disturbance observer estimation errors are required instead of the disturbances’ upper bounds. The disturbance observer estimation errors are found to be bounded when the disturbance observer dynamics are asymptotically stable and the disturbance derivatives and initial disturbances are bounded. Moreover, due to the highly nonlinear nature of the quadrotor dynamics, the upper bounds of a part of the quadrotor states and disturbance estimates are required. The nonlinear terms in the rotational dynamics are considered as disturbances, part of which is mismatched. This assumption simplifies the control system design by dividing the quadrotor’s model into a position subsystem and a heading subsystem, and designing a controller for each separately. The stability analysis of the closed loop system is carried out using Lyapunov stability arguments. The effectiveness of the developed control scheme is demonstrated in simulations by applying different sources of disturbances such as wind gusts and partial actuator failure.     

自适应时变Terminal滑模控制研究

针对Terminal滑模控制到达阶段鲁棒性不强的问题,提出了时变Terminal滑模控制方法。分析Terminal滑模面的设计参数对系统性能的影响,提出一种非线性时变Terminal滑模面的设计方法。为了消除多输入多输出(MIMO)非线性系统的不确定,构建动态干扰观测器系统,根据干扰观测误差在线调节参数,从而在线逼近外部干扰,证明了逼近误差一致最终有界。采用倒立摆系统进行仿真验证,提出的自适应时变Terminal滑模控制方法比传统的PID控制镇定时间缩短80%,且无超调。仿真结果表明,所提方法可以用于MIMO非线性系统的控制。     

非线性不确定系统的非奇异快速终端滑模控制

针对存在非匹配干扰的非线性系统,设计了一种基于干扰观测器和反步法的非奇异快速终端滑模控制.引入非线性干扰观测器估计系统的不确定性,利用反步的思想处理高阶非线性系统,从而可以将非线性干扰观测器估计的干扰值引入反步法的虚拟控制量中,同时设计一种新颖的非奇异快速终端滑模控制律保证系统的收敛速度和精度.利用Lyapunov函数从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的有限时间收敛.最后通过数值仿真验证了所设计的控制方法的有效性.     

带有执行器故障的多水面船固定时间分布式滑模协同控制

针对未知环境干扰、未知执行器故障等多水面船协同控制问题,提出一种带有执行器故障的多水面船固定时间分布式滑模协同控制方法,可保证协同控制系统的全局固定时间的稳定性.首先,设计一种固定时间干扰观测器,用于估计集总扰动(包括未知环境扰动和未知执行器故障);其次,引入固定时间非奇异快速终端滑模面,可有效地消除系统的奇异性,改善系统的抖振;然后,提出一种基于固定时间非奇异快速终端滑模面和固定时间干扰观测器的分布式容错控制器,使得收敛时间上界与系统初始状态无关;最后,通过仿真实验验证所提出控制律的有效性.     

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.     

载人潜水器的干扰特性分析与自适应滑模控制

针对在实际运行中会受到未知外部环境干扰和模型不确定性等因素影响的蛟龙号载人潜水器系统,本文设计了一种基于干扰特性指标的新型自适应滑模控制方法,实现对有益干扰的利用和有害干扰的补偿.首先,文章给出载人潜水器系统的运动学和动力学模型;然后,本文设计非线性干扰观测器估计系统所受的集总扰动,并提出一种扇形区域干扰特性指标,用于判断干扰对系统的影响;其次,文章设计一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法,并且根据李雅普诺夫理论进行严格的稳定性分析;最后,通过数值仿真,验证所设计的滑模控制方法的优越性.其优越性主要体现在:不仅能够有效缓解抖振现象,并且避免控制增益高估的问题.