广义系统的快速终端滑模控制

研究了一类广义系统的快速终端滑模控制问题.通过非奇异线性变换把广义系统变换成受限等价形式,利用Lyapunov函数的方法,提出了一种新的指数型快速终端滑模控制策略,给出了特殊的指数型终端滑模超曲面,设计了相应的终端滑模控制器,使得闭环系统渐进稳定,实现了滑模运动,保证了系统状态变量以较快的收敛速度在有限时间内到达平衡点...     

Novel Logarithmic Non-Singular Terminal Sliding Mode and Its Application in Attitude Control of QTR

新型对数非奇异终端滑模及其在QTR无人机姿态控制上的应用

刘海波¹, 王和平^1,2, 孙俊磊¹

(1. 西北工业大学 航空学院,西安 710072;

2. 西北工业大学 深圳研究院,广州 深圳 518057)

创新点说明：

论文首先利用非奇异终端滑模有限时间内收敛和鲁棒性强的优点,设计了一种新型对数型非奇异终端滑模面。其次,针对传统趋近律收敛时间长、速度慢、抖震严重等不足,提出一种具有二阶滑模特性的新型快速趋近律。

研究目的：

针对四倾转旋翼飞行器姿态控制系统复杂非线性、强耦合、多输入多输出、存在复合干扰等特点,利用终端滑模有限时间内收敛和滑模鲁棒性强的优点,设计新型对数型非奇异终端滑模控制律,以提高四倾转旋翼飞行器姿态控制的控制精度。

研究方法：

本文提出一类基于新型对数形式的非奇异快速终端滑模面、新型趋近律及扩张状态干扰观测器的非奇异终端滑模控制方法。

研究结果：

通过与传统非奇异快速滑模控制进行比较,仿真实验结果表明,所提控制方案具有良好的控制性能。

结论：

1）本文针对四倾转旋翼无人机姿态控制问题,设计了新型对数型非奇异终端滑模面,从而加快了收敛速度;

2）采用了扩张状态观测器,对控制器进行了在线补偿,有效地抑制了复合干扰对系统的影响;

3）提出具有二阶滑模特性的新型快速趋近律,平滑无抖震地加快了系统收敛速度;

4）仿真分析验证了所提方法的有效性,具有较大的实际应用价值。

关键词：倾转旋翼;非奇异;滑模控制;姿态控制;趋近律;扩张状态;干扰观测器

     

多关节机器人的非奇异终端模糊滑模控制

针对多关节机械臂轨迹跟踪控制,提出了一种非奇异终端模糊滑模控制方法.采用模糊控制调节滑模控制的切换增益,改善了非奇异终端滑模控制的局限性,利用积分的方法自动对系统的建模误差和干扰的上界进行评估,实现了对建模误差和干扰的自动跟踪,削弱了抖振.文中利用李亚普诺夫定理证明了系统的稳定性,仿真结果证明了其有效性.     

具有多延时和不确定性的网络控制系统的滑模控制器设计

针对一类具有多状态延时和不确定性的单输入线性网络控制系统提出一种滑模控制SMC(Sliding Mode Control)的设计方案．通过假定一个虚拟状态，并把SMC和LQR(Linear Quadratic Regulator)结合起来．设计出的控制器能够保证整个闭环网络控制系统的稳定性。     

基于自适应神经网络滑模观测器的容错控制

针对机电伺服系统可能发生的故障,提出基于自适应神经网络滑模观测器的快速终端滑模容错控制策略. 在自适应滑模观测器中引入神经网络估计故障,以提高故障发生时观测器的状态估计精度和故障检测准确性. 利用观测器的状态估计值进行状态重构,结合参数自适应技术和快速终端滑模控制方法设计主动容错控制器. 针对参数不确定性设计参数自适应率进行估计,并利用前馈补偿技术补偿故障和参数不确定性. 针对未知上界的扰动设计具有自适应增益的鲁棒项. 利用Lyapunov定理证明所提出的控制方法可以实现系统有界稳定,大量仿真和实验结果验证了控制器在系统发生故障时具有良好的容错能力、控制精度和响应速度.     

基于自适应终端滑模控制器的机械手跟踪控制

针对具有不确定性的机械手轨迹跟踪控制问题,提出一种自适应二阶终端滑模控制器设计方法。设计一类非线性不确定系统的自适应二阶终端滑模算法,使得不连续符号函数包含在控制微分项,实际控制作用连续;采用自适应律克服不确定性上界未知问题,基于Lyapunov方法证明系统稳定性;针对机械手轨迹跟踪问题,基于所提出控制方法设计机械手自适应终端滑模控制方案;通过对双关节机械手轨迹跟踪仿真研究,验证所提出控制策略的有效性。     

滑模变结构控制在时滞系统中的应用

目的研究一类线性不确定时滞系统控制器的设计问题,改善时滞系统的控制效果.方法采用滑模变结构控制策略,先用线性变换将原来的时滞系统变成一个无时滞的系统,再利用最优控制理论设计滑动平面并选择适当的滑模变结构控制规律,保证系统状态在有限的时间内到达滑动面.结果滑模变结构控制比PID控制超调量小10%,调节时间短5%,有效地抑制了系统控制器输出的抖动问题.结论滑模变结构控制方法具有更优的动态特性及鲁棒性,有效地提高了时滞系统的控制效果.     

基于遗传算法的柔性机械手高阶终端滑模控制

针对双臂柔性机械手控制系统,提出了一种基于遗传算法的高阶终端滑模控制方法,以解决其非最小相位控制问题,实现末端位移控制。基于输出重定义方法,通过输入输出线性化,将系统分解为输入输出子系统和内部子系统,在此基础上,结合高阶滑模和终端滑模的控制思想设计输入输出子系统控制器,利用遗传算法优化内部子系统参数,以保证两个子系统稳定,同时削弱抖振对柔性模态的影响,提高末端位移控制精度。仿真结果证明了所提方法的有效性。     

多约束导引控制一体化的自适应鲁棒滑模设计方法

在攻击机动目标的末制导段, 为使舰炮制导炮弹能够同时满足攻击角、视线角速率测量受限、执行器控制饱和等多项约束, 基于自适应鲁棒控制与动态面滑模设计了一种导引控制一体化设计方法. 首先, 在纵平面内, 建立了弹体的导引控制一体化设计模型. 然后, 设计扩张状态观测器迅速准确地估计出视线角速率与目标机动等未知干扰. 其次, 运用自适应指数趋近律设计了非奇异终端滑模, 以确保视线角跟踪误差与视线角速率在有限时间内收敛至零. 进而, 结合自适应鲁棒项构造动态面滑模与虚拟控制量用以镇定串级系统并削弱变结构项的抖振. 进一步地, 通过设计自适应Nussbaum增益函数, 较好地补偿了由舵机偏转受限引入的控制饱和非线性问题. 运用Lyapunov稳定性理论严谨地证明了终端视线角跟踪误差、视线角速率的有限时间收敛性, 以及系统的一致最终有界性. 仿真实验表明, 所提出的设计方法能够使舰炮制导炮弹在打击具有不同机动形式的目标时, 均具备较好的导引控制性能.     

基于连续高阶模滑的多机电力系统励磁控制

为了提高多机电力系统暂态稳定性,提出一种连续高阶滑模励磁控制策略。各发电机功角偏差为滑模变量,把具有非线性和不确定性多机电力系统的高阶滑模控制转化为不确定积分链系统的有限时间稳定问题,控制器结合几何齐次连续控制律和二阶滑模超螺旋算法,实现系统状态有限时间收敛,克服系统未建模动态、测量误差和外部扰动等不确定性,利用精确鲁棒微分器观测功角微分,理论分析证明了闭环系统的有限时间稳定。所设计高阶滑模励磁控制器能够保持机端电压稳定,并能有效提高电力系统的暂态稳定性。针对3机系统的仿真结果验证了该控制方法的有效性。     

MIMO非线性自适应模糊滑模控制

为了解决传统的自适应模糊滑模控制方法需经无穷长时间才能达到平衡点，不能对系统进行精确地跟踪控制的问题。提出一种具有快速收敛性的自适应模糊滑模控制方法。控制器用具有快速收敛性和稳定性的最终吸引子做自适应模糊调节率代替传统自适应模糊调节率，不仅具有稳定性且具有快速收敛性，从而使控制系统的输出能在有限时间内精确地跟踪参考信号。证明了所设计控制器是全局稳定的。并用该方法控制了二自由度机器手系统，仿真结构表明该方法能使机器手在有限时间内达到精确的位置和速度，从而证实了其快速性。     

刚体航天器有限时间输出反馈姿态跟踪控制

为提高航天器系统飞行可靠性,研究角速度信息不可测量的刚体航天器有限时间姿态跟踪控制,将姿态导数信息作为未知状态,设计基于改进自适应超螺旋滑模的状态观测器,避免未知状态导数上界需要已知的约束,将姿态运动方程进行扩维,在有限时间内实现对未知角速度估计.同时考虑环境干扰和模型不确定,设计新的有限时间干扰观测器,结合连续自适应方法实现对系统综合不确定上界的估计.在此基础上,基于终端滑模技术,设计有限时间连续姿态跟踪控制器,较好地减小了控制输入抖振,并采用Lyapunov理论证明了观测器和控制器的有限时间稳定性.最后仿真结果说明了所提方法的有效性.     

单电磁悬浮系统的神经网络模糊滑模控制

为实现单电磁悬浮系统悬浮气隙的精确控制,提出一种基于神经网络的模糊滑模控制方案.根据单电磁悬浮系统的动态非线性数学模型,设计使系统状态在有限时间内到达稳定点的滑模面,同时根据滑模切换状态,通过引入神经网络的模糊控制方法对滑模切换控制量的增益进行评估,实时对滑模控制量进行调整,实现切换控制信号的柔化.基于神经网络的模糊滑模控制系统不仅能很好地跟踪给定信号,而且能削弱滑模控制抖振,对外部扰动具有完全的鲁棒性.仿真结果表明,所设计的控制系统零超调,具有速度跟踪性能,对外部扰动具有很强的鲁棒性.     

网络控制系统最优滑模控制器设计

针对网络控制系统中的网络诱导时延及不确定性因素,设计了有较强鲁棒性的滑模控制器。为了简化系统的设计,首先,利用线性变换将原时滞系统转化为无时滞不确定性系统,基于变换后的系统进行滑模控制器的设计。结合二次型性能指标最优控制方法,给出了线性无时滞系统最优滑模的综合设计方法。选择的控制律能保证系统在有限的时间内到达滑模面,并能有效的削弱抖振。最后对其稳定性进行了分析,给出并证明了原系统渐近稳定的充分条件。仿真验证了该方法的可行性和有效性。     

导弹尾翼电动负载模拟器快速终端滑模控制

针对永磁同步电机驱动的导弹尾翼电动负载模拟器存在的高阶非线性及参数时变问题,提出一种基于反演设计的快速终端滑模控制方法.建立电动负载模拟器系统的状态空间模型,将建模误差及参数摄动视为未知扰动项,基于反演控制的设计思想,将系统模型划分为3个子系统,采用快速终端滑模方法设计控制律,使跟踪误差在有限时间内收敛到零.然后应用Lyapunov方法证明了闭环系统的渐进稳定性及有限时间收敛特性,最后通过试验验证了该控制策略的有效性.与PI+前馈补偿控制策略相比,该方法能够更好地抑制系统中的多余力矩,提高了电动加载系统的力矩加载精度,同时有效提高了加载系统的鲁棒性.     

时滞不确定系统的支持向量机滑模控制

针对一类具有不确定性参数和状态时滞的系统,利用线性矩阵不等式（LMI）方法设计了滑模控制器,并且针对系统的不确定性,引入支持向量机（SVM）对其进行在线学习,获得不确定性部分的上界值,保证了系统的稳定性与鲁棒性,有效地降低了滑模控制固有的抖振现象,改善了系统的控制品质。仿真研究表明了此方法的可行性与有效性。     

模糊滑模变结构控制系统的研究

对于矢量控制的交流伺服系统,根据离散滑模控制理论和模糊控制理论,设计了一种离散模糊滑模控制器,即在离散滑模控制器后加一个积分环节再与模糊控制器相结合,有效地削弱了单纯滑模变结构控制系统的“抖振”。仿真实验结果表明由该离散模糊滑模控制器构成的交流位置伺服系统,具有良好的快速性和抗负载扰动、参数摄动的鲁棒性．     

Duffing混沌系统的全局快速Terminal滑模变结构控制

针对Duffing方程混沌系统,研究了其基于全局快速Terminal滑模变结构的稳定控制问题。在此基础上,设计了一种新全局快速Terminal滑模面,并给出稳定性理论分析。仿真实验结果验证了该方法的有效性.     

弹药传输机械臂固定时间终端滑模控制

为提高坦克弹药传输机械臂在路面激励等外界扰动下位置控制的鲁棒性,设计一种固定时间终端滑模控制器(fixed-time terminal sliding mode controller, FTSMC).推导含垂直基础振动的弹药传输机械臂动力学方程,将系统的基础振动处理成干扰项.采用新型固定时间收敛干扰观测器对系统不确定项进行补偿,改善了控制器的鲁棒性.结合固定时间收敛双幂次趋近律和固定时间终端滑模面设计固定时间终端滑模控制器.用Lyapunov理论证明了系统固定时间收敛特性. 3种工况下的对比实验表明,设计的复合控制器对不确定性干扰具有强鲁棒性,能够对外界扰动下的弹药传输机械臂进行准确定位控制.     

基于模态空间的建筑结构滑模控制研究

为了减少建筑结构滑模控制系统的在线计算量,保证其控制效果.基于模态空间的相关理论,采用仅控制少量模态的滑模控制方法对地震作用下建筑结构的振动控制问题进行了研究.给出了确定切换面的方法,并基于指数趋近律设计了相应的控制律.以一个多层剪切型建筑结构模型为例来验证控制方法的有效性,算例数值分析结果表明,所提出的滑模控制方法,控制效果明显,能有效地减小结构的地震峰值响应,且有效地降低了控制系统的在线计算量.