Optimal second order sliding mode control for nonlinear uncertain systems

In this paper, a chattering free optimal second order sliding mode control (OSOSMC) method is proposed to stabilize nonlinear systems affected by uncertainties. The nonlinear optimal control strategy is based on the control Lyapunov function (CLF). For ensuring robustness of the optimal controller in the presence of parametric uncertainty and external disturbances, a sliding mode control scheme is realized by combining an integral and a terminal sliding surface. The resulting second order sliding mode can effectively reduce chattering in the control input. Simulation results confirm the supremacy of the proposed optimal second order sliding mode control over some existing sliding mode controllers in controlling nonlinear systems affected by uncertainty.     

MEMS 环形陀螺仪带宽拓展控制器设计

设计一种基于零极点补偿的比例积分控制器,用于MEMS环形振动陀螺的检测模态闭环回路控制。文章分别分析了环形陀螺仪机械灵敏度、带宽与陀螺仪模态之间谐振频率差值、品质因数的关系,并通过伯德图分析了零极点与陀螺带宽的关系。设计了基于零极点补偿的比例积分控制器（PZ-PIC）,通过在检测闭环回路中使用该控制器,可以拓展陀螺仪的带宽,解决环形陀螺仪机械带宽与机械灵敏度相互矛盾的问题。提出的新型控制器具有参数少,参数确定简单等优点,适用于MEMS陀螺仪的批量化生产。经过实验验证,3只陀螺仪样机带宽均得到有效拓展,拓展后带宽超过90 Hz。     

基于反演设计的机械臂非奇异终端神经滑模控制

针对具有建模误差和不确定干扰的多关节机械臂的轨迹跟踪问题,设计反演非奇异终端神经滑模控制。该方案是采用能有限时间收敛的非奇异终端滑模面,根据滑模控制原理和反演方法设计反演滑模控制器;对于反演滑模控制系统中由于建模误差和不确定干扰造成的不确定因素的上界,设计径向基(Radial basis function, RBF)神经网络自适应律,在线估计不确定因素的上界;利用李亚普诺夫定理证明了系统的稳定性。仿真结果表明,该方法具有良好的轨迹跟踪性能,提高对于建模误差和不确定干扰等因素的鲁棒性,削弱了抖动。     

自治水下机器人深度的动态Terminal滑模控制的研究

自治水下机器人的深度控制一直是影响其自主性的一个关键因素,文中应用了一种动态Terminal滑模控制方法对自治水下机器人的深度控制进行了具体的分析与研究,并用MATLAB进行了实验仿真,仿真结果证明这个方法对自治水下机器人的深度控制有一定的实用意义。     

超声电机驱动的CMG框架系统滑模控制

针对超声电机驱动的控制力矩陀螺框架伺服系统具有强非线性、参数摄动和多源扰动力矩等问题,在系统建模和分析的基础上,采用了一种混合积分滑模变结构控制器,在保证框架速度控制快速响应的同时,提高了系统在多源强耦合扰动力矩下的鲁棒性。针对滑模抖振问题,引入了一种滑模观测器补偿框架系统的多源扰动力矩,减小系统不确定项的影响,进而减小滑模切换增益,达到抑制抖振的目的。仿真和实验结果表明,提出的控制力矩陀螺框架速度控制策略可有效抑制滑模控制系统的抖振现象,在多源扰动力矩的影响下,框架系统具有较强的鲁棒性。     

双框架控制力矩陀螺框架系统的扰动观测及抑制

内外框架间的耦合力矩、非线性摩擦和未建模动态是影响双框架控制力矩陀螺框架系统高精度角速率伺服控制的主要因素。为提高框架系统的干扰抑制能力,保证框架系统输出角速率精度,本文提出了一种基于非线性级联扩张状态观测器和滑模控制的复合扰动抑制方法。框架系统中的所有干扰都被认为是集总干扰并由设计的NCESO估计,通过滑模控制可从系统输出通道中消除集总干扰的影响。最后,将本文提出的控制方法与线性级联扩张状态观测器和状态反馈结合的复合控制方法进行了对比仿真实验。仿真和实验结果表明,本文提出的方法具有更好的干扰抑制和动态响应性能,内框架角速度波动从0.5(°)/s减小到0.2(°)/s,外框架角速度波动从0.45(°)/s减小到0.15(°)/s;跟踪正弦参考信号时,速度跟踪误差从1.8(°)/s减小到1.2(°)/s,相位滞后从8°减小到1.3°。     

Optimal second order sliding mode control for linear uncertain systems

In this paper an optimal second order sliding mode controller (OSOSMC) is proposed to track a linear uncertain system. The optimal controller based on the linear quadratic regulator method is designed for the nominal system. An integral sliding mode controller is combined with the optimal controller to ensure robustness of the linear system which is affected by parametric uncertainties and external disturbances. To achieve finite time convergence of the sliding mode, a nonsingular terminal sliding surface is added with the integral sliding surface giving rise to a second order sliding mode controller. The main advantage of the proposed OSOSMC is that the control input is substantially reduced and it becomes chattering free. Simulation results confirm superiority of the proposed OSOSMC over some existing.     

积分滑模控制及抖振抑制研究用于仿人机器人头部控制

介绍了HIT三自由度仿人机器人头部的机械和电气结构,将积分滑模控制算法应用于头部追踪控制,实现了对闭环系统极点的任意配置,克服了建模不准确、外部干扰等因素的影响,使滑动模态发生在运动初始时刻,并贯穿于整个响应过程。同时提出了一种简单易行的方法切换函数比例法来抑制积分滑模控制的抖振。经与传统的PID加摩擦力补偿控制和基于计算力矩法的滑模变结构控制对比,实验证明了提出的控制方法具有较高的跟踪精度并且抖振较小、抗干扰性较强。     

阀控缸系统有限时间滑模控制

针对阀控缸系统稳态跟踪误差的收敛时间均为非有限时间内收敛到0的问题,提出了一种终端滑模控制方法。解决了液压系统非有限时间收敛问题,使得跟踪误差在有限时间内收敛到0。首先,运用终端滑模控制方法通过构造终端函数方式引入非线性项,设计终端滑模面来保证系统的全局鲁棒性和稳定性;其次,基于Lyapunov稳定性理论设计终端滑模控制器,保证位置跟踪误差在有限时间内收敛到0并验证其稳定性;最后,利用阀控缸系统模型以正弦信号及其衍生信号为参考信号对控制策略进行Simulink仿真,表明了终端滑模控制方法的可行性与有效性。     

具有外部扰动的漂浮基空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程。以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的Terminal滑模控制方案。提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性。此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性。     

A novel adaptive sliding mode control with application to MEMS gyroscope

This paper presents a new adaptive sliding mode controller for MEMS gyroscope; an adaptive tracking controller with a proportional and integral sliding surface is proposed. The adaptive sliding mode control algorithm can estimate the angular velocity and the damping and stiffness coefficients in real time. A proportional and integral sliding surface, instead of a conventional sliding surface is adopted. An adaptive sliding mode controller that incorporates both matched and unmatched uncertainties and disturbances is derived and the stability of the closed-loop system is established. The numerical simulation is presented to verify the effectiveness of the proposed control scheme. It is shown that the proposed adaptive sliding mode control scheme offers several advantages such as the consistent estimation of gyroscope parameters including angular velocity and large robustness to parameter variations and external disturbances.     

机械臂反演非奇异终端的神经滑模控制

为了解决具有外部干扰以及建模误差的多关节机械臂的轨迹跟踪问题,提出了一种机械臂反演非奇异终端的神经滑模控制方法。采用非奇异终端的滑模面,基于反演方法以及滑模控制的原理,设计了反演滑模控制器。针对由于外部干扰以及建模误差引起的反演滑模控制系统中不确定的因素上界,设计了径向基(radial basis function,简称RBF)神经网络的自适应律,对不确定因素上界进行了在线估计,并对控制系统的稳定性使用了Lyapunov定理进行证明。仿真分析结果表明,所提出的方法不仅可以减少系统中存在的抖振现象,而且具有较好的轨迹跟踪性能和较强的鲁棒性。     

机械臂执行器故障重构与容错控制

为了提高机械臂系统鲁棒性、使系统在故障情况下能够正常运行,提出了基于滑膜控制的故障重构与容错控制方法。建立了机械臂系统动力学方程和执行器故障模型;设计了准连续高阶滑膜观测器,结合等效输出误差注入法给出了故障重构方法;提出了非奇异快速终端滑膜控制方法,求解滑膜面得到了容错控制律。经仿真验证,准连续高阶滑膜观测器可以快速、高精度重构执行器故障,同时避免了滑膜控制抖振问题;非奇异快速终端滑膜控制器可以在系统故障情况下快速跟踪期望轨迹,有效提高了机械臂系统鲁棒性。