集总干扰下六旋翼飞行器的轨迹跟踪控制

针对复杂集总干扰下六旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,给出了混合积分反步法控制与线性自抗扰控制的控制算法. 首先,通过牛顿-欧拉方程建立六旋翼飞行器的非线性动力学模型,并剖析系统输入输出的数学关系. 其次,根据六旋翼飞行器动力学模型的特点,将其分为位置与姿态两个控制环. 位置环采用积分反步法控制理论设计控制器,通过引入积分项来提高系统的抗干扰能力,消除轨迹跟踪的静态误差;姿态环采用线性自抗扰控制技术设计控制器,通过线性扩张观测器估计和补偿集总干扰影响,提高系统的鲁棒性. 最后,通过2组仿真算例和1组飞行试验验证了本文所提飞行控制算法的有效性. 研究结果表明:该控制算法对集总干扰有较好的抑制作用,能够使六旋翼飞行器既快又稳地跟踪上参考轨迹,具有一定的工程应用价值.      

卫星姿态的间接自适应模糊鲁棒控制

针对在太空强干扰环境下工作的三轴稳定卫星姿态控制问题,将间接自适应模糊鲁棒控制应用于卫星的姿态稳定控制中,给出了实现方法.用自适应模糊控制器逼近被控对象的数学模型,并在控制量中加入鲁棒控制项用于抑制扰动,使系统具有更强的鲁棒性.针对挠性卫星设计了间接自适应模糊鲁棒控制器,推导了参数自适应律.仿真结果表明,该方法能够有效抑制扰动,且具有较好的动态与静态品质.     

具有跟踪鲁棒性能的H_∞最优预见控制

研究了一类不确定离散时间系统的鲁棒H∞预见控制问题.其中采用一种新的方法构造扩大误差系统,避免对时变的系数矩阵取差分,从而成功构造简化的扩大误差系统.然后针对所求得的不确定系统的扩大误差系统,通过引入带有预见作用的状态反馈,研究鲁棒H∞保成本控制问题,得到确保鲁棒H∞控制器存在的充分条件及H∞状态反馈控制器的设计方法.该条件可以通过求解一个线性矩阵不等式优化问题而实现.所得控制器回到原系统就得到带有预见作用的最优预见控制器.而且,通过引入积分器,实现闭环系统对目标值信号的鲁棒无静差跟踪.最后的数值算例说明了本文理论的有效性.     

无人直升机自抗扰自适应轨迹跟踪混合控制

为满足无人直升机高精度轨迹跟踪的控制需求,并降低直升机动力学模型误差对飞行控制器飞行控制效果产生的影响,提出自抗扰自适应直升机混合控制.该控制器的内环控制采用模型跟随自适应控制,通过使用动量反向传播算法(MOBP)对该内环控制参数进行实时优化.通过使用自抗扰控制(ADRC)对直升机的水平速度进行控制.仿真结果表明,该混合控制器能够实现直升机对预定轨迹的跟踪.相对PID和级联ADRC控制,该控制器具有更好的抗扰性和鲁棒性.通过在200 kg级的专业植保无人直升机XV-2上搭载所提出的控制器,使其自主飞行轨迹跟踪控制的均方根误差在0.6 m以内.      

步进梁热处理炉鲁棒优化控制研究

针对冶金领域广泛应用的大型步进梁热处理炉,采用基于热传导及离散化技术得到的状态空间模型,进行鲁棒稳定性分析及控制器设计.考虑系统运行过程中的非线性及不确定性,基于李雅普诺夫稳定性定理及LMI方法,给出了系统稳定的充分条件,并进行变增益控制器设计.对辨识得到的系统模型,借助Matlab的LMI工具箱进行仿真及验证,仿真结果表明所得定理能够保证系统具有鲁棒完整性.     

步进炉控温系统鲁棒容错控制设计

步进炉是冶金领域广泛使用的多区段大型热处理设备,炉温在系统运行过程中存在时滞及不确定性,本文基于李雅普诺夫稳定性定理及LMI方法,针对炉温进行鲁棒稳定性分析及容错控制器设计。考虑实际系统中存在的测温传感器各种故障情况,引入多模态故障模型,实现了变增益控制器设计,得到了系统渐进稳定的充分条件。最后根据系统温度模型,借助Matlab的LMI工具箱进行仿真及验证,仿真结果表明所得定理能够保证系统具有鲁棒完整性。     

基于TECS|H∞的无人机纵向着舰系统设计

针对无人机纵向自动着舰,运用总能量控制系统建立无人机纵向自动着舰系统,根据纵向着舰导引系统速度为常数且具有抑制纵向风干扰的要求,设计基于线性矩阵不等式的H∞输出反馈控制器,通过对所设计的先锋无人机的纵向自动着舰导引系统仿真表明:通过升降舵和油门的协调控制,实现了速度和航迹的解耦控制,且该设计能满足着舰要求,能有效地抑制纵向风干扰的影响,具有良好的鲁棒性能.     

鲁棒UKF滤波算法在SINS初始对准中的应用

针对系统存在不确定性扰动时传统UKF滤波算法的滤波精度和鲁棒性均下降的问题,提出了一种基于H∞范数的鲁棒UKF滤波算法.该算法在Krein空间内对简化UKF滤波算法进行改进,增加了一个鲁棒环节.鲁棒环节通过引入给定正常数调整滤波增益从而提高滤波算法的鲁棒性能.在SINS大方位失准角初始对准中对简化UKF滤波算法和鲁棒UKF滤波算法进行了对比研究.仿真结果表明:与简化UKF滤波算法相比,鲁棒UKF滤波算法的方位失准角估计误差由16.9'缩小到4.3'.鲁棒UKF滤波算法降低了系统对扰动的敏感度,具有更好的滤波性能.     

基于外部单目视觉的仿生扑翼飞行器室内定高控制

针对扑翼飞行器的定高飞行,设计了基于外部单目视觉的室内定高控制系统:通过外部单目相机获取扑翼飞行器的飞行图像,基于Qt编写的地面站软件接收图像并利用基于OpenCV的图像处理算法检测扑翼飞行器上的发光标识点,获得标识点在图像上的像素坐标;基于卡尔曼滤波器（KF）建立标识点像素坐标的运动状态估计器,降低环境噪声干扰并解决了标识点被短暂遮挡的问题;分别建立常规PID和单神经元PID控制系统,通过蓝牙控制扑翼飞行器的电机转速,实现了基于图像的扑翼飞行器室内定高飞行。对比实验结果表明,本文设计的定高飞行控制系统可以使扑翼飞行器标记点的图像坐标保持在外部单目相机图像的中心横线处。针对阶跃响应信号,单神经元PID控制系统的响应速度比常规PID控制系统响应速度稍慢一些,但是控制精度明显优于常规PID控制器,最大相对误差为3%。      

区间时滞系统的非脆弱鲁棒H∞控制

针对一类时滞是时变的且属于一个已知区间的线性系统,提出了一种新的Lyapunov-Krasovskii函数分析方法,分析区间时滞线性系统的稳定性,并设计了非脆弱鲁棒H∞控制器.设计的非脆弱鲁棒H∞控制器不仅可以保证时滞系统是渐近稳定的,同时可以满足所给定的H∞性能指标.非脆弱鲁棒H∞控制器可以通过线性矩阵不等式方法获得.仿真例子验证了该方法的有效性.     

基于自适应反步法的干扰补偿挖泥船动力定位控制

为解决挖泥船在挖泥强反作用干扰或恶劣环境干扰下,动力定位控制系统不稳定的难题,提出采用自适应反步法来解决挖泥船的动力定位问题.由于自适应算法采用实时估计干扰值并进行前馈补偿,而不是在挖泥机构上额外加装传感器的方法,从而简化了控制机构并同时保证了控制的效果.自适应控制能前馈补偿反作用干扰及环境干扰对船体的作用,使船体能以最小的误差与冲击稳定在指定位置.定位控制在强干扰作用下依然能快速跟踪设定位置,而且保证控制系统全局渐近稳定.仿真结果表明,动力定位系统在强干扰环境中依然能够保持良好跟踪的动静态性能.     

Robust Adaptive Control for Mobile Manipulators

This paper addresses the trajectory tracking control of a nonholonomic wheeled mobile manipulator with parameter uncertainties and disturbances. The proposed algorithm adopts a robust adaptive control strategy where parametric uncertainties are compensated by adaptive update techniques and the disturbances are suppressed. A kinematic controller is first designed to make the robot follow a desired end-effector and platform trajectories in task space coordinates simultaneously. Then, an adaptive control scheme is proposed, which ensures that the trajectories are accurately tracked even in the presence of external disturbances and uncertainties. The system stability and thc convergence of tracking errors to zero are rigorously proven using Lyapunov theory. Simulations results are given to illustrate the effectiveness of the proposed robust adaptive control law in comparison with a sliding mode controller.     

具有状态约束与输入饱和的全向移动机器人自适应跟踪控制

研究了全状态约束与输入饱和情况下的全向移动机器人轨迹跟踪控制问题.首先，针对一类三轮驱动的全向移动机器人，考虑系统存在模型参数不确定与外部扰动，建立了运动学与动力学模型；其次，利用障碍Lyapunov函数，结合反步设计方法，有效处理全向移动机器人跟踪过程中存在的状态约束，保证所有状态变量不会超出状态约束的限制区域；然后，针对系统参数不确定和未知有界扰动，设计相应的自适应律进行处理；同时，提出一种抗饱和补偿器保证机器人输入力矩满足饱和约束；并且利用Lyapunov理论分析证明了当选取合适的控制参数时闭环系统中的所有信号均能保证一致有界；最后，通过与未考虑状态约束和输入饱和的控制器以及经典比例-微分控制器进行仿真对比，验证了该方法的有效性和鲁棒性.      

基于自适应滑模的多螺旋桨浮空器容错控制

针对多螺旋桨浮空器执行机构易发生故障的容错控制问题,同时考虑系统所受到的未知外部扰动和螺旋桨输入幅值的饱和约束,提出一种自适应滑模容错控制方法。建立浮空器的四自由度运动模型,系统分析矢量螺旋桨的故障类型,分为输出力的大小故障和矢量转角故障,得到浮空器执行机构的故障模型。基于自适应和滑模控制理论,由跟踪目标与系统当前状态偏差设计积分滑模面。针对未知外部扰动和执行机构偏移故障,设计相应的自适应律进行处理;针对螺旋桨输入饱和约束,应用Sigmoid函数设计跟踪轨迹进行处理。由此设计一种自适应滑模容错控制策略,利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的全局渐近稳定性能。以上海交通大学的多螺旋桨浮空器为模型,仿真验证了故障容错控制方法的有效性和鲁棒性。      

一类不确定非线性系统的串级主动补偿控制

针对一类具有下三角结构的单输入单输出不确定非线性系统,研究其稳定控制问题.提出一种结构简单、收敛速度可控以及抗扰性能良好的基于Backstepping方法的串级主动补偿控制策略,实现了闭环系统的渐近稳定控制.为解决闭环系统中不确定非线性未知问题,设计一种新的观测器,使得这种观测器能够实时跟踪闭环系统的不确定非线性.通过引入奇异扰动性理论,给出了闭环系统稳定性分析.仿真实验结果验证了该控制方法的有效性.      

轧机液压伺服系统多模型切换自适应反步控制

针对轧机液压伺服系统工作过程中弹性负载力和外负载力的跳变,基于公共Lyapunov函数方法和自适应反步控制方法,提出了一种多模型切换自适应反步控制策略.该方法结合自适应反步控制的特点和公共Lyapunov函数的设计要求,通过反步法设计了各子系统的状态反馈控制器和不确定上界参数的自适应估计器,取反步法的Lyapunov函数作为公共Lyapunov函数,保证了系统在任意切换下的渐近稳定.自适应反步法和公共Lyapunov函数方法的结合,便于公共Lyapunov函数的求取,又解决了同时存在参数跳变和参数慢时变的问题.仿真结果表明,该方法能够保证轧机液压伺服系统具有良好的动静态性能,并对参数跳变和参数慢时变具有较强鲁棒性.      

Robust Backstepping Sliding Mode Attitude Tracking and Vibration Damping of Flexible Spacecraft with Actuator Dynamics

This paper presents a dual-stage control system design method for the attitude tracking control and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensor and actuator. In this design approach, attitude control system and vibration suppression were designed separately using a lower order model. Based on the sliding mode control (SMC) and backstepping technique, a new attitude controller in the form of the input voltage of the reaction wheel is derived to control the attitude motion of a spacecraft, in which the reaction wheel dynamics is also considered from the real applications point of view. Here the sliding mode technique is used to achieve an asymptotic convergence of the attitude and angular velocity tracking errors in the presence of parameter variation and disturbance by providing a virtual torque input at the rigid body while the backstepping technique is used to regulate the input voltage of the actuator to provide the required torque. The asymptotic stability is shown using a Lyapunov analysis. Furthermore, an adaptive version of the proposed attitude control law is also designed for adapting the unknown upper bounds of the lumped disturbance so that the limitation of knowing the bound of the disturbance in advance is released. For actively suppressing the induced vibration, strain rate feedback control methods are presented by using piezoelectric materials as additional sensors and actuators bonded on the surface of the flexible appendages. The performances of the hybrid control schemes are assessed in terms of attitude tracking and level of vibration reduction in comparison to the proportional-derivative and conventional SMC. Both analytical and numerical results are presented to show the theoretical and practical merit of this hybrid approach.     

球磨机制粉系统的线性自抗扰控制

球磨机制粉系统具有大惯性、大时滞和强耦合等特点,很难建立精确的数学模型.本文分析了球磨机制粉系统的动态特性,并为其设计分散线性自抗扰控制方案.该方案综合分散控制和线性自抗扰控制器的优点,结构简单,不依赖于对象精确模型,可以对被控对象中存在的耦合、干扰和不确定性等进行估计并补偿.根据实际现场要求,对球磨机制粉系统进行设定值跟踪实验、输入扰动实验和性能鲁棒性实验,并比较所设计方案与PID方案的控制性能.结果表明,分散线性自抗扰控制具有更强的解耦能力和抗干扰能力,且性能鲁棒性更优.