航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,本文提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛故障容错控制方案.通过引入能够避免奇异点,且具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束条件有限时间收敛的姿态跟踪容错控制律,利用参数自适应方法使控制器不依赖转动惯量和外部干扰的上界信息.Lyapunov稳定性分析表明:在存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障等约束条件下,本文设计的控制律能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对执行器故障具有良好的容错性能.数值仿真校验了该控制律在姿态跟踪控制中的优良性能.     

非奇异快速的终端滑模控制方法

针对已有终端滑模控制的奇异和收敛缓慢问题,提出一种非奇异快速终端滑模函数,并利用李亚普诺夫方法证明其有限时间收敛特性．在此基础上,结合带负指数项的吸引子来设计控制律,使控制输入实现时间连续,并保证滑模面全局存在．理论分析表明,通过合理选择控制参数,可使系统避免“收敛停滞”,且对有界模型误差和外部干扰具有较好鲁棒性．     

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.     

基于反推滑模的船舶动力定位有限时间控制

考虑存在未知外界干扰的船舶动力定位控制问题,提出一种基于有限时间理论的自适应反推非奇异快速终端滑模算法,并对未知干扰进行自适应估计.利用有限时间Lyapunov理论证明了设计的控制律能够保证闭环系统的状态在有限时间内收敛到平衡点附近小的邻域内.仿真结果表明,与传统渐近稳定控制律相比,设计的控制策略保证闭环系统具有更快的收敛速度及更好的稳定性和鲁棒性.此外,通过对干扰的自适应补偿,进一步降低了系统的稳态误差,增强了系统的抗干扰能力.     

非匹配不确定系统的自适应反步非奇异快速终端滑模控制

针对一类n阶非匹配不确定系统,提出一种自适应反步非奇异快速终端滑模控制方法.控制的前n-1步采用自适应反步控制策略,消除非匹配不确定性的影响;最后一步利用误差的积分构造非奇异快速终端滑模面,设计控制律使系统第n个状态有限时间收敛.该方法对系统中匹配和非匹配不确定项均具有鲁棒性,比自适应反步终端滑模方法具有更快的收敛速度.理论分析证明了闭环系统的稳定性,仿真结果验证了该方法的有效性.     

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.     

磁悬浮开关磁阻电机的自适应终端滑模控制

为解决磁悬浮开关磁阻电机受到外部环境未知干扰、内部参数摄动等不确定因素带来的影响,提出一种基于自适应终端滑模控制器的直接瞬时转矩及直接悬浮力控制策略.首先,对电机的数学模型进行分析并建立状态方程,采用直接瞬时转矩控制与直接悬浮力控制方法,以减小系统脉动;其次,设计非奇异终端滑模面,避免常规终端滑模控制中的奇异问题,并引入自适应律,结合终端滑模控制器以抑制不确定因素的干扰,保证系统的快速收敛、强鲁棒性;最后,与传统滑模控制器方法进行对比,验证该方法的有效性.仿真结果表明,所提出方法能迅速精准跟踪控制系统的转速及位移,有效提升状态收敛速度,抗扰能力强,具有良好的动态性能.     

一类3阶非线性系统的非奇异终端滑模控制

针对传统非奇异终端滑模控制方法不适用于3阶系统的问题,提出一类具有不确定和外干扰的3阶非线性系统的新型非奇异终端滑模控制方法.该方案首先结合backstepping控制中的动态面方法和传统2阶非奇异终端滑模控制构造非奇异3阶终端滑模面,首次提出采用高阶滑模微分器估计值代替控制器中的负指数项.采用非线性干扰观测器任意精度地估计不确定和干扰,设计控制器中的补偿项.采用终端吸引子函数做趋近律避免抖振的同时能保证有限时间趋近滑模面.基于有限时间稳定李雅普诺夫定理证明了被控状态将在有限时间内收敛到任意小的闭球内.所提出方案快于传统的递阶线性滑模控制和其他非奇异终端滑模控制.仿真中与其他滑模控制方案对比,总误差减小18%以上,超调及收敛时间也显著下降.     

基于干扰观测器的航天器非奇异终端二阶滑模控制

为了消除干扰力矩和结构不确定性对卫星姿态控制性能的影响,本文提出了一种基于新型干扰观测器的非奇异终端二阶滑模控制方法.首先,文章设计了一种基于跟踪微分器的干扰观测器,来对卫星系统中的不确定项进行估计,利用估计值进行补偿,并保证估计误差在有限时间内收敛.在此基础上,文章设计一个非奇异终端滑模面,当系统到达滑模面时,姿态误差可以在有限时间内收敛,并利用二阶滑模趋近律设计控制器,保证系统在有限时间到达滑模面.在干扰观测器误差未完全收敛时,滑模控制器可以对存在的扰动进一步抑制,实现姿态跟踪系统的有限时间稳定,并通过李雅普诺夫方法严格证明了其稳定性.最后,仿真结果表明,干扰估计值误差可以在有限时间内收敛,证明了该控制方法对存在的干扰是具有较好的鲁棒性.     

交会对接模拟系统姿态跟踪有限时间抗干扰控制

针对交会对接模拟系统的姿态同步问题,在存在扰动和系统不确定性的情况下,利用改进的快速非奇异终端滑模面和改进的自适应律设计两个有限时间抗干扰控制器.改进的自适应律保证了两个控制器的连续性和对干扰的鲁棒性,且第2个控制器能解决边界层理论存在的边界层内有限时间稳定性丢失的问题.李雅普诺夫理论推导和仿真结果表明,提出的两个控制器能保证系统的有限时间稳定性,系统能快速收敛到平衡点.     

Nonsingular fast terminal sliding‐mode control for nonlinear dynamical systems

This paper investigates fast finite‐time control of nonlinear dynamics using terminal sliding‐mode (TSM) scheme. Some new norms of fast TSM strategies are proposed, and a faster convergence rate is established in comparison with the conventional fast TSM. A novel concept of nonsingular fast TSM, which is able to avoid the possible singularity during the control phase, is adopted in the robust high‐precision control of uncertain nonlinear systems. Numerical simulation on a two‐link rigid robot manipulator demonstrates the effectiveness of the proposed algorithm. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Nonsingular terminal sliding mode control of nonlinear second‐order systems with input saturation

This paper considers the nonsingular terminal sliding mode (TSM) controller design for a nonlinear second‐order system subject to input saturation. A new nonsingular TSM manifold is constructed by integrating the conventional nonsingular TSM manifold with a saturation function. When the bound of the uncertainty is known, based on the designed TSM manifold, a saturated controller can be designed directly for the nonlinear system. When the bound of the uncertainty is unknown, a disturbance observer is first employed to estimate the uncertainty, followed by constructing a composite controller consisting of a bounded feedback controller and a forward compensator. Theoretical analysis shows that under the proposed two control methods, the states of the closed‐loop system will both converge to zero in finite time. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed methods. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

快速非奇异终端滑模在混沌系统中的应用

为解决传统线性滑模控制中的速度较慢和终端滑模的奇异性问题,提出一种快速非奇异终端滑模的控制策略,并将其应用于Lorenz混沌系统中。控制策略为当系统状态离平衡点较远时采用线性滑模,使其快速地到达滑模面;而一旦滑模到达所设计的滑模面时控制策略变为非奇异终端滑模,使其快速地收敛于平衡点。此策略将线性滑模和终端滑模的优点相结合,从而使整个系统的状态在全程都具有较快的收敛速度,此方法改善了传统的线性滑模只能渐近地趋近于平衡点的动态缺点;同时也改善了单独采用终端滑模时,离平衡点较远的状态到达时间较长的缺点;且有效地避免了奇异现象的发生。最后通过M atlab仿真,对Lorenz混沌系统进行仿真,验证了该方法的有效性。     

Velocity-free adaptive nonsingular fast terminal sliding mode finite-time attitude tracking control for spacecraft

Aiming at the attitude tracking control problem of rigid spacecraft under the condition of unmeasurable angular velocity information, a velocity-free adaptive nonsingular fast terminal sliding mode finite-time tracking control method is proposed. The finite-time extended-state observer is used to estimate the attitude tracking speed errors and the integrated disturbances. Combined with the above control method, a fast nonsingular terminal sliding mode controller with attitude measurement is designed and the adaptive technology is introduced to compensate for the influence of observation errors on the controller. The finite-time convergence of the observer and the control method was demonstrated based on Lyapunov theory, and the effectiveness of the proposed method is verified by numerical simulations.     

Robust Adaptive Fractional‐Order Terminal Sliding Mode Control for Lower‐Limb Exoskeleton

This paper introduces a robust adaptive fractional‐order non‐singular fast terminal sliding mode control (RFO‐TSM) for a lower‐limb exoskeleton system subject to unknown external disturbances and uncertainties. The referred RFO‐TSM is developed in consideration of the advantages of fractional‐order and non‐singular fast terminal sliding mode control (FONTSM): fractional‐order is used to obtain good tracking performance, while the non‐singular fast TSM is employed to achieve fast finite‐time convergence, non‐singularity and reducing chattering phenomenon in control input. In particular, an adaptive scheme is formulated with FONTSM to deal with uncertain dynamics of exoskeleton under unknown external disturbances, which makes the system robust. Moreover, an asymptotical stability analysis of the closed‐loop system is validated by Lyapunov proposition, which guarantees the sliding condition. Lastly, the efficacy of the proposed method is verified through numerical simulations in comparison with advanced and classical methods.     

An Adaptive Fault-tolerant Control Method for Robot Manipulators

International Journal of Control, Automation and Systems - This paper presents a new method for adaptive continuous nonsingular fast terminal sliding mode control (ACNFTSMC) based on a novel...     

SCARA机器人模糊自适应滑模控制

为了提高SCARA机器人的轨迹跟踪控制性能,提出了一种基于非奇异终端滑模面和改进的快速趋近律的滑模控制策略。设计了一种非奇异的快速终端滑模面,可在任意初始状态下收敛到平衡点;改进滑模控制的趋近律,在保证快速趋近的同时可有效抑制抖振,并采用双曲正切函数代替传统的符号函数,有效地消除了高频抖振。采用模糊控制调节趋近律参数,改善初始状态误差过大时引起的力矩冲击问题;基于SCARA机器人模型仿真实验表明,实验结果跟踪性能良好,输出力矩平滑。     

基于扩张状态观测器的四旋翼无人机快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制

针对受多源干扰影响的四旋翼无人机系统的轨迹跟踪控制问题进行研究,充分考虑位置回路和姿态回路动态特性,提出一种全回路复合快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方案.首先,通过变换将轨迹跟踪问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪控制问题;然后,将各通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于扩张状态观测器对其进行估计;接着,基于干扰估计信息和快速非奇异终端滑模控制算法,分别在位置回路和姿态回路构造复合快速非奇异终端滑模控制器;最后,基于位置回路和姿态回路虚拟控制量解得无人机真实控制量旋翼转速.仿真结果表明,所提出控制方案显著提升了四旋翼无人机轨迹跟踪的响应速度和抗干扰性能.     

A New Model-free Robust Adaptive Control of Cable-driven Robots

For high performance control of cable-driven robots, a new model-free robust adaptive control is proposed using adaptive proportional-integral-derivative nonsingular fast terminal sliding mode (PID-NFTSM) in this paper. The designed control scheme has three elements, which are time-delay estimation (TDE) and a new PID-NFTSM manifold and a combined adaptive reaching law. The TDE element is applied to achieve the lumped system dynamics and hence founds a practical model-free structure. Meanwhile, a new PID-NFTSM manifold is designed to inherit the advantages of the NFTSM and high-order SM (HOSM) and integral SM (ISM) controls. Because of this design, the PID-NFTSM manifold can effectively ensure the non-singularity and high comprehensive control performance. Then, by combining the fast-TSM-type reaching law and a constant speed one with adaptive gain, we design a new combined adaptive reaching law for performance reinforcement. Benefiting from above three parts, our proposed control is model-free, highly precise and strongly robust. Stability is analyzed using Lyapunov theory. The effectiveness of our control is proved by comparative simulation studies.

     

一种连续非奇异快速终端滑模控制方法

为解决现有终端滑模控制算法在收敛速度和抖振方面的问题, 提出一种连续非奇异快速终端滑模控制方法. 采用变系数双幂次趋近率和非奇异快速终端滑模面相结合的设计方式, 提高系统状态在趋近和滑动阶段的收敛速度. 通过Lyapunov 稳定性方法证明所提出的控制率可使得状态轨迹在扰动存在的情况下, 在有限时间内快速收敛到一个区域. 与传统方法相比, 所提出的控制率是连续的, 因此抑制了抖振, 拥有更高的控制精度. 将所提出的方法应用于光电稳定平台, 仿真结果验证了算法的有效性.