基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模 动态面输出反馈控制

针对三自由度全驱动船舶速度向量不可测问题,考虑船舶模型参数和外部环境扰动均未知的情况,提出一种基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模动态面输出反馈控制方法.该方法设计神经网络自适应观测器估计船舶速度向量,且利用神经网络逼近模型参数不确定项,综合考虑船舶位置和速度误差之间关系构造递归滑模面,再采用动态面控制技术设计轨迹跟踪控制律和参数自适应律,并引入低频增益学习方法消除外界扰动导致的高频振荡控制信号.选取李雅普诺夫函数证明了该控制律能够保证轨迹跟踪闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘供给船进行仿真验证,结果表明,船舶轨迹跟踪响应速度快,所设计控制器对系统模型参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性.     

输入输出受限船舶的轨迹跟踪自适应递归滑模控制

针对输入输出受限, 模型部分不确定和受到未知海洋干扰的全驱动船舶的轨迹跟踪问题, 提出一种基于时 变非对称障碍李雅普诺夫函数的最小参数自适应递归滑模控制策略. 该策略首先设计障碍李雅普诺夫函数约束船 舶轨迹在有限区域内, 利用最小参数法神经网络逼近模型不确定项, 降低系统的计算复杂度, 然后采用指令滤波器 对输入信号进行幅值约束, 同时避免对因反步法导致的微分爆炸问题, 综合考虑船舶位置以及速度误差间的关系设 计递归滑模控制律, 提高系统的鲁棒性, 采用双曲正切函数和Nussbaum函数补偿由输入饱和引起的非线性项, 提高 系统稳定性. 最后通过Lyapunov理论分析证明了全驱动船舶闭环系统中所有信号是一致最终有界的. 仿真结果表 明, 本文所设计的船舶轨迹跟踪控制方案能有效处理船舶模型不确定部分以及未知外界干扰的问题, 能够实现船舶 在输入受限的情况下在有限区域内航行并准确的跟踪期望轨迹, 具有较强的鲁棒性.     

基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制

针对速度不可测的三自由度欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题,考虑船舶存在模型参数不确定项以及外界环境干扰未知情况,提出一种基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制策略.该策略构造扩张观测器估计船舶速度向量,利用神经网络算法逼近模型参数不确定项,然后采用动态面控制技术避免对虚拟控制律直接求导,简化控制律计算过程,并引入低频增益学习技术消除外界扰动导致控制信号产生高频振荡,最后选取李雅普诺夫函数证明该控制律能够保证船舶跟踪闭环系统中所有误差信号一致最终有界.仿真结果表明,本文所设计控制器对船舶模型参数不确定项及外界环境干扰具有较强的鲁棒性,能够实现对船舶轨迹的有效跟踪.     

基于模糊扰动观测器的PMSM积分滑模控制研究

为了克服传统永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)的滑模控制增益大容易产生抖振的问题,提出基于模糊观测器的PMSM积分滑模控制策略。采用新型趋近律设计积分滑模控制器取代传统的滑模控制器,提高系统的动态响应性能。结合模糊控制与自适应控制的特点,设计模糊扰动观测器,能够迅速有效地观测系统内部参数变化和外部扰动,并对积分滑模速度控制器进行前馈补偿,削弱系统抖振的同时提高了系统的鲁棒性。通过李雅普诺夫理论证明了该控制系统的稳定性。仿真及实验结果验证了该方法具有较强的鲁棒性,可以实现良好的跟踪效果并且无抖动。     

Robust Fuzzy Output Sliding Control without the Requirement of State Measurement

A robust fuzzy output sliding control for nonlinear robotic arms is proposed in this paper. The proposed method not only retains the advantages of the conventional sliding mode control such as robustness against parameter variations and external disturbances, but also uses measurable output signals to define the sliding surface function. A fuzzy controller is developed to modify the control law to avoid state measurement. Control system stability is proved by using the Lyapunov stability theorem. The system robustness is guaranteed. Simulations results demonstrate the validity and effectiveness of the proposed method for uncertain nonlinear robotic arms.     

自适应方法实现混沌系统控制与同步

以能大范围实现连续时间混沌系统控制与同步的非线性状态反馈方法为基础,给出了一种可实现两个相同或不同连续时间混沌系统控制与同步的自适应控制策略。当目标和被控系统的状态变量都有界时,被控系统都能大范围同步于给定参考混沌信号。该方法解决了非线性反馈控制器中控制系数的估计问题,并且使同步控制具有一定的鲁棒性。     

基于扰动和摩擦补偿的柔性机械臂系统非奇异快速终端滑模控制

本文针对系统中存在的关节摩擦、动力学参数不确定性和外部负载干扰等因素引起的柔性机械臂系统控制性能下降的问题,提出了一种基于扰动和摩擦补偿的非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC-DE-FC).首先,设计扰动估计器(DE)对系统未知动态参数和负载干扰进行估计.然后,针对扰动估计器不能精确估计的关节摩擦力矩进行辨识.最后,利用滑模控制技术设计非奇异快速终端滑模控制器,并将扰动估计值和摩擦力辨识值以前馈的方式进行补偿,实现对柔性机械臂系统给定参考轨迹跟踪的准确性以及对外界扰动的鲁棒性.值得注意的是,与传统只使用扰动估计器的方法相比,本文考虑到了摩擦力等非线性因素的影响,并利用辨识技术对摩擦力进行辨识,提高了控制精度.利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性.实验结果表明,相较于非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC)和基于扰动估计器的非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC-DE),所提方法提高了柔性机械臂系统的轨迹跟踪性能.     

波浪作用下船舶航向自抗扰控制设计及参数配置

针对具有内部参数不确定性和外部扰动的海上船舶设计了航向自抗扰控制器,并解决了舵机模型中舵角的限幅和限速问题,基于滑模控制理论提出了反馈控制带宽的计算方法.采用频域分析的方法,系统地分析了自抗扰控制器对外部波浪扰动的抑制能力、模型参数不确定时的鲁棒性;结合作者实船工作经验以及系统动态特性与控制参数的关系,提出了船舶航向控制器参数的配置规律;最后以一艘57000吨级散货船为控制对象,验证了航向控制器的鲁棒性和本文所述参数配置规律的有效性.为将自抗扰控制算法应用于船舶自动舵设计提供理论依据和实践参考.     

近空间飞行器纵向抗干扰轨迹控制研究

针对近空间飞行器( nearspace vehicle,NSV) 在高超音速飞行时,气动参数变化剧烈且容易受到外界干扰的特点,研究了NSV 纵向轨迹系统的干扰问题,提出了鲁棒自适应动态面的回馈递推控制方法。首先对高度非线性、高度复杂的NSV 的纵向运动的模型进行坐标变换,采用输入－输出反馈线性化方法,将其转化为仿射非线性模型; 然后通过一阶低通滤波器对控制器设计中的虚拟控制律进行估计,从而避免了对其求导带来的计算膨胀问题; 再结合神经网络逼近理论以及虚拟控制器中的鲁棒项,一起消除近空间飞行器的纵向系统中存在的参数摄动不确定和外界干扰。最后通过稳定性分析,表明了该方法在降低系统控制器复杂性的同时仍具有很好的鲁棒性。     

基于线性自抗扰的开关磁阻电机调速控制研究

开关磁阻电机调速系统是复杂的非线性时变系统,负载扰动大,变量之间耦合严重,针对上述系统的性能特点提出采用线性自抗扰控制策略对系统进行控制的方法。首先为克服负载扰动变化,电机磁链呈非线性以及电流、位置等参数耦合的内外部干扰问题,设计扩张状态观测器对系统内扰和外扰进行准确估计并实时补偿。然后设计PD（比例-微分）控制器抑制系统给定与扩张状态观测器反馈的观测对象状态变量之间的跟踪误差。最后在仿真平台上对设计的控制系统进行试验并与传统PID控制方案进行对比,结果显示,对于给定的阶跃信号线性自抗扰控制器只需0.09s即可达到稳态且无超调,而PID控制器需要3s才能实现稳定跟踪。因此相比于传统PID控制,线性自抗扰控制器拥有更优的动静态性能,并且系统在外部负载扰动和内部模型参数变化的情况下也有良好的控制效果,表现出了很好的鲁棒特性。     

Sliding-Mode Formation Control for Underactuated Surface Vessels

Sliding-mode control laws for controlling multiple unmanned surface vessels in arbitrary formations are proposed. The presented formation control method uses local information as well as the planned gross motion of the formation to achieve mesh stability. A three-degree-of-freedom dynamic model has been used for the surface vessels. It is assumed that each vessel only has two actuators and the vessels are underactuated. Mesh stability and parameter uncertainty in the dynamic model and wave disturbance are considered in designing the controllers. It is shown that the internal dynamics of the underactuated system is also stable. The effectiveness and robustness of these control laws in the presence of parameter uncertainty in the dynamic model and wave disturbances and the mesh stability of the formation are demonstrated by computer simulation.     

冷带轧机厚控系统自适应鲁棒输出反馈动态控制器设计

冷带轧机厚控系统可被认为是一个受外界干扰的线性不确定时滞系统.本文首先设计了标称系统下的鲁棒输出反馈动态控制器,以改善闭环系统的动静态性能;其次,在系统不需要满足不确定性匹配条件的情况下,将参数和外部扰动不确定性综合考虑.应用Lyapunov稳定性理论设计了系统不确定性上界参数的自适应估计器和系统的自适应控制器,保证了闭环系统的渐近稳定性,减小了设计的保守性;两者结合实现了板带出口厚度的有效控制.最后通过一个仿真实例说明本文所提出的自适应鲁棒控制器的有效性.     

Integrated direct/indirect adaptive robust motion trajectory tracking control of pneumatic cylinders

This paper studies the precision motion trajectory tracking control of a pneumatic cylinder driven by a proportional-directional control valve. An integrated direct/indirect adaptive robust controller is proposed. The controller employs a physical model based indirect-type parameter estimation to obtain reliable estimates of unknown model parameters, and utilises a robust control method with dynamic compensation type fast adaptation to attenuate the effects of parameter estimation errors, unmodelled dynamics and disturbances. Due to the use of projection mapping, the robust control law and the parameter adaption algorithm can be designed separately. Since the system model uncertainties are unmatched, the recursive backstepping technology is adopted to design the robust control law. Extensive comparative experimental results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed controller and its performance robustness to parameter variations and sudden disturbances.     

基于趋近律方法的Delta算子滑模变结构控制系统

针对高速信号不确定滑模变结构控制系统的抖振问题,提出一种基于Delta算子离散化方法的不确定Delta算子系统的滑模变结构控制器。基于反正切函数给出了一种改进的Delta算子离散趋近律,将系统的不确定部分用其上、下确界代替,然后设计滑模变结构控制律。仿真结果表明了该方法的可行性和有效性,对内部参数摄动和外部干扰具有良好的完全鲁棒性。因此,基于该趋近律方法设计的滑模变结构控制系统既能在有限时间内快速趋近切换面,又最终稳定于平衡状态。     

四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法

针对四旋翼飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法.在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性以及风速变化等外部干扰问题.此外本文还设计了非线性状态误差反馈控制律来有效抑制跟踪误差.在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,本文所设计的自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒性,能够满足飞行器姿态调节快速和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器.     

鲁棒自适应滑模虚拟执行器设计

为了解决具有不确定性的非线性系统发生执行器故障后的安全运行问题,针对未建模动态、外界扰动和参数不确定等各种不确定性的综合影响,提出了一种鲁棒自适应滑模虚拟执行器控制重构策略.该方法利用滑模控制具有鲁棒性的特点消除不确定性的影响,采用参数自适应方法使得无须己知不确定项的上界,同时具有虚拟执行器不改变标称控制器结构和参数的特点.采用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性和鲁棒性.通过动力定位船仿真验证了该方法的有效性.     

四旋翼无人机轨迹稳定跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹稳定跟踪控制问题,为抑制外界扰动和参数不确定性的影响,设计一种双环鲁棒控制系统.首先,基于动态面内模法设计输出调节器进行位置控制,可解决系统的渐近跟踪及干扰抑制问题;其次,利用高阶滑模设计姿态控制器,可实现全局有限时间收敛,消除系统抖振和相对阶的限制;再次,为进一步提高控制精度,采用一种鲁棒精确微分器对姿态角指令信号进行精确求导;最后,对系统稳定性进行严格的数学证明,并与PID控制和传统滑模控制进行仿真对比,结果验证了所提出控制策略的优越性和鲁棒性.     

Robust output tracking control of a class of non-minimum phase systems and application to VTOL aircraft

In this article, we study the output tracking control of a class of MIMO nonlinear non-minimum phase systems in the presence of input disturbances. In order to attenuate the effects of disturbances, the method of uncertainty and disturbance estimator (UDE) is extended to the controller design for non-minimum phase systems. Due to the fact that the accumulated disturbances is composed of internal states and external disturbances, a different stability analysis is given, and the overall closed-loop system is proved to be semi-globally stable. The proposed state-feedback controller not only forces system outputs to asymptotically track desired trajectories, but also drives the unstable internal dynamics to follow bounded and causal ideal internal dynamics (IID) solved via stable system centre (SSC) method. Simulation results demonstrate that the proposed controller achieves excellent tracking and disturbance rejection performance via the example of VTOL aircraft which has been the benchmark of nonlinear non-minimum phase systems.     

Fast terminal sliding mode tracking control of hypersonic vehicles based on non-homogeneous disturbance observer

The tracking control problem of hypersonic vehicles is studied and analyzed in this paper using terminal sliding mode control method (TSMC) and non-homogeneous disturbance observer(NHDO) considering parametric uncertainty and external disturbances. Non-singular terminal sliding mode controller is provided based on NHDO. The key idea is that the NHDO is adopted to estimate the aerodynamic uncertainties and external disturbances simultaneously, which can enhance the robustness of the system and lower the gain of the switch controller. Rigorous stability analysis for the closed-loop system is given via Lyapunov stability theory, which proves that the system states are always bounded even during the estimation process when the estimation error is not zero. The sliding manifold can be reached in finite time and the tracking errors can converge to zero asymptotically. Numerical simulations are conducted with the longitudinal nonlinear dynamic model of hypersonic vehicles to verify the effectiveness and robustness of the designed controller.     

Adaptive sliding mode control for trajectory tracking of nonholonomic mobile robot with uncertain kinematics and dynamics

ABSTRACT

This article designs a novel adaptive trajectory tracking controller for nonholonomic wheeled mobile robot under kinematic and dynamic uncertainties. A new velocity controller, in which kinematic parameter is estimated, produces velocity command of the robot. The designed adaptive sliding mode dynamic controller incorporates an estimator term to compensate for the external disturbances and dynamic uncertainties and a feedback term to improve the closed-loop stability and account for the estimation error of external disturbances. The system stability is analyzed using Lyapunov theory. Computer simulations affirm the robustness of the designed control scheme.