作业型遥控水下运载器的多变量backstepping鲁棒控制

针对作业型遥控水下运载器（ROV）存在复杂外干扰、参数不确定性以及强非线性耦合的特性,提出了作业型ROV的多变量backstepping控制方法．使用Lyapunov稳定性分析方法,证明了当存在系统参数不确定性和未知常值外干扰的情况时,系统的局部渐近稳定性．以及跟踪误差的局部渐近收敛性．针对作业型ROV在动力定位时的特点,得到了系统动力定位时的四自由度简化模型．仿真结果表明,所提出的多变量backstepping鲁棒控制器具有比常规PID控制器更好的控制品质和鲁棒性能．     

非线性迭代滑模的欠驱动AUV路径跟踪控制

为实现欠驱动自治水下机器人（AUV）在未知海流干扰作用下的路径跟踪控制,提出一种基于非线性迭代滑模增量反馈的路径跟踪控制器。选用一般曲线参数和Serret-Frenet坐标系描述路径跟踪误差,建立AUV水平面路径跟踪误差方程。采用迭代方法,设计滑模增量反馈控制器,无需对AUV模型参数不确定部分和海流干扰进行估计。仿真实验表明,设计的控制器参数易于调节,可用于实际欠驱动水下机器人来实现对水平面路径的精确跟踪。     

基于反馈增益反步法欠驱动无人水下航行器三维路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器的三维空间路径跟踪控制问题.基于虚拟向导建立载体坐标系下的三维路径跟踪运动学误差模型,首先设计跟踪误差反馈增益形式的线性控制项镇定位置跟踪系统,避免计算虚拟控制量导数的复杂形式;然后基于反步法设计动力学控制器,通过合理的选择控制器参数消除了部分非线性项,简化了虚拟控制量的形式,同时避免了采用传统反步法设计控制器时存在的奇异值问题,基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒反馈补偿项,保证了闭环跟踪误差系统状态的一致最终有界.仿真实验表明本文设计控制器能够精确跟踪三维曲线路径,并对外界干扰具有较好的鲁棒性.     

电液伺服系统的多滑模鲁棒自适应控制

针对一类参数与外负载非匹配不确定的非线性高阶系统,提出了一种基于逐步递推方法的多滑模鲁棒自适应控制策略.应用逐步递推的多滑模控制方法简化了高阶系统的控制问题,同时在自适应控制中加入鲁棒控制的方法,以消除不确定性对控制性能的影响.首先利用逐步递推方法与状态反馈精确线性化理论,得出确定系统的多滑模控制器设计方法;然后基于Lyapunov稳定性分析方法,给出不确定系统的参数自适应律,及鲁棒自适应控制器的设计方法.本文把该控制策略应用到电液伺服系统的位置跟踪控制中,仿真结果显示,该控制方法具有较强的鲁棒性及良好的跟踪效果.     

非线性系统的自适应实用输出跟踪控制

研究了一类具有不可控不稳定线性化和线性化参数的非线性系统的全局自适应实用输 出跟踪控制问题,这类系统既不具有反馈线性化性质,对输入也没有仿射特性.因为这类系统的 线性化系统具有不可控模式且该模式在右半平面内有根,所以全局渐近输出跟踪是不可能的(甚 至是局部的).应用修正的自适应增加幂积分方法,设计了一种光滑状态反馈控制器,保证闭环系 统所有信号全局一致最终有界,且使跟踪误差进入零的小邻域内.仿真结果表明该控制器是可行 的并且是有效的.     

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.     

磁悬浮球系统的非线性自适应控制方法

针对磁悬浮球系统被控对象变化时控制器自适应问题,提出了一种反馈线性化和在线参数辨识相结合的非线性自适应控制方法。基于状态反馈精确线性化方法建立磁悬浮球系统的数学模型,通过状态反馈设计了一种非线性控制器,并给出了控制器参数的在线辨识方法。MATLAB平台上在线实验结果表明,与反演滑模自适应控制方法相比,提出的方法无须在平衡位置近似线性化,可以在平衡位置实现对不同对象的自适应控制,且具有理想的稳态调节性能。     

一类未知参数非线性系统的自适应无源控制

对一类含有未知参数的本质非线性系统,通常的Backstepping方法无法应用.为此,提出一种基于状态反馈的自适应无源控制对策,通过对非线性系统进行反馈无源化控制,设计自适应无源镇定控制器和自适应无源输出跟踪控制器.设计中适当调节自适应无源控制器参数,能够保证闭环系统稳定且所有信号全局一致有界,从而解决了此类含有未知参数非线性系统的稳定性和输出跟踪问题.仿真算例验证了提出控制方案的有效性,表明系统具有较强的稳定性和跟踪特性.     

一类非线性系统的加速度规划输出跟踪动态控制

针对一类严格反馈形式的非线性二阶多输入多输出系统,提出一种带有加速度规划的输出跟踪动态控制策略.引入一个代替时间变量的路径参数用以规划路径跟踪时的加速度,回避了设计内环加速度控制回路的常规方法,简化了控制器的设计过程.对二阶系统的控制项求导进行系统扩维,基于新的增广系统,设计了使系统输出收敛于期望路径的反馈线性化动态控制律.再对加速度跟踪误差基于梯度法设计更新律使其渐近收敛于零,最后通过调节期望加速度实现定常速度控制.理论分析表明,误差闭环系统一致渐近稳定,速度误差有界.动力定位船舶循迹控制仿真结果表明了所提出控制器的有效性.     

基于神经网络的反馈线性化非对称系统

针对对称阀控非对称缸电液伺服系统的非线性,为了提高系统的控制精度,在分析该系统的固有特性的基础上提出了反馈线性化控制策略,分析了反馈线性化系统的稳定性,并采用神经网自适应补偿控制对不确定参数进行补偿,最后选择合理参数进行仿真实验。实验表明:基于神经网络技术的反馈线性化阀控非对称系统不但稳定性好、控制精度高,而且系统的跟踪性能优越,适用于实时控制的场合。     

Robust fuzzy 3D path following for autonomous underwater vehicle subject to uncertainties

This paper addresses a three-dimensional (3D) path following control problem for underactuated autonomous underwater vehicle (AUV) subject to both internal and external uncertainties. A two-layered framework synthesizing the 3D guidance law and heuristic fuzzy control is proposed to achieve robust adaptive following along a predefined path. In the first layer, a 3D guidance controller for underactuated AUV is presented to guarantee the stability of path following in the kinematics stage. In the second layer, a heuristic adaptive fuzzy algorithm based on the guidance command and feedback linearization Proportional-Integral-Derivative (PID) controller is developed in the dynamics stage to account for the nonlinear dynamics and system uncertainties, including inaccuracy modelling parameters and time-varying environmental disturbances. Furthermore, the sensitivity analysis of the heuristic fuzzy controller is presented. Against most existing methods for 3D path following, the proposed robust fuzzy control scheme reduces the design and implementation costs of complicated dynamics controller, and relaxes the knowledge of the accuracy dynamics modelling and environmental disturbances. Finally, numerical simulation results validate the effectiveness of the proposed control framework and illustrate the outperformance of the proposed controller as well.     

船舶动力定位非线性自适应反步控制器设计

针对扰动不确定非线性船舶动力定位问题,提出了一种带观测器的不确定扰动非线性船舶动力定位自适应输出反馈控制.设计了一个非线性观测器,从附有噪声的输出中估计出船舶位置以及运动速度.用滤波后的位置信号,针对扰动不确定非线性船舶设计带观测器的自适应反步控制器,该控制在Backstepping设计方法的基础上引入积分环节,对存在未知参数和动态不确定扰动的船舶能有效的改善系统性能.根据Lyapunov稳定性理论证明所设计的控制器是全局渐近稳定的,仿真结果验证了该方法的有效性.     

软体机械臂水下自适应鲁棒视觉伺服

水下仿生软体机器人在水底环境勘测,水下生物观测等方面具有极高的应用价值.为进一步提升仿章鱼臂软体机器人在特殊水下环境中控制效果,提出一种自适应鲁棒视觉伺服控制方法,实现其在干扰无标定环境中的高精度镇定控制.基于水底动力学模型,设计保证动力学稳定的控制器;针对柔性材料离线标定过程繁琐、成本高,提出材料参数自适应估计算法;针对水下特殊工作条件,设计自适应鲁棒视觉伺服控制器,实现折射效应的在线补偿,并通过自适应未知环境干扰上界,避免先验环境信息的求解.所提算法在软体机器人样机中验证其镇定控制性能,为仿生软体机器人的实际应用提供理论基础.     

Robust adaptive fuzzy tracking control for a class of strict-feedback nonlinear systems based on backstepping technique

In this paper, the robust adaptive fuzzy tracking control problem is discussed for a class of perturbed strict-feedback nonlinear systems. The fuzzy logic systems in Mamdani type are used to approximate unknown nonlinear functions. A design scheme of the robust adaptive fuzzy controller is proposed by use of the backstepping technique. The proposed controller guarantees semi-global uniform ultimate boundedness of all the signals in the derived closed-loop system and achieves the good tracking performance. The possible controller singularity problem which may occur in some existing adaptive control schemes with feedback linearization techniques can be avoided. In addition, the number of the on-line adaptive parameters is not more than the order of the designed system. Finally, two simulation examples are used to demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme.     

基于反步法的欠驱动UUV的3维路径跟踪控制

研究了欠驱动无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)在3维空间中的路径跟踪控制器设计及其稳定性分析问题.首先建立2阶积分器形式的欠驱动UUV空间6自由度运动模型和动力学模型.针对该运动模型,以位置误差作为虚拟控制变量,基于反步法(backstepping)设计路径跟踪控制器.根据李亚普诺夫理论,在理论上证明了所设计的路径跟踪控制系统是稳定的.该控制器实现了欠驱动UUV 3维空间的路径跟踪控制.仿真结果验证了控制器的有效性.     

Robust adaptive fuzzy tracking control for a class of strict-feedback nonlinear systems based on backstepping technique

In this paper, the robust adaptive fuzzy tracking control problem is discussed for a class of perturbed strict-feedback nonlinear systems. The fuzzy logic systems in Mamdani type are used to approximate unknown nonlinear functions. A design scheme of the robust adaptive fuzzy controller is proposed by use of the backstepping technique. The proposed controller guarantees semi-global uniform ultimate boundedness of all the signals in the derived closed-loop system and achieves the good tracking performance. The possible controller singularity problem which may occur in some existing adaptive control schemes with feedback linearization techniques can be avoided. In addition, the number of the on-line adaptive parameters is not more than the order of the designed system. Finally, two simulation examples are used to demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme.     

倒立摆的自适应积分反步控制策略

针对直线单级倒立摆在模型参数不确定和外部扰动情况下的稳定控制问题,提出一种自适应积分反步控制策略。采用拉格朗日方程建立倒立摆系统的运动学模型,为减少稳态误差,将误差积分项引入反步法,设计了倒立摆的控制器;对含有未知参数的系统非线性状态微分方程,设计适当的Lyapunov函数推导出系统未知参数的自适应更新律,削弱了参数不确定性的影响。将自适应积分反步控制与一般的反步法控制、模糊控制及神经网络控制的仿真结果进行了对比,并在LabVIEW开发环境下进行了实物实验。结果表明,自适应积分反步法可以较为迅速且精确地完成稳定控制,较好地克服系统参数不确定及外部扰动的影响,具有较强的鲁棒性。     

发电机的非线性自适应逆推综合控制

发电机励磁和汽门系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合、不确定复杂系统,其综合控制将会改善电力系统稳定性和动态品质,所以设计简单、有效的综合控制器既必要又困难.针对单机无穷大励磁与汽门系统,运用自适应逆推方法和系统的Lyapunov函数,获得了发电机的非线性综合控制器和参数替换律,文中给出了该控制器的具体设计步骤.由于在控制器设计中没有运用任何线性化方法,因而所得控制器充分利用了系统的非线性特性;同时考虑了发电机阻尼系数的不确定性,使得控制器对系统参数的变化具有很强的鲁棒性.数字仿真结果表明,所设计的控制器具有鲁棒性,并可有效地提高电力系统的稳定性.     

Backstepping sliding mode control with FWNN for strict output feedback non-smooth nonlinear dynamic system

An output feedback backstepping sliding mode control scheme was developed for precision positioning of a strict single-input and single-output (SISO) non-smooth nonlinear dynamic system that could compensate for deadzone, dynamic friction, uncertainty and estimations of immeasurable states. An adaptive fuzzy wavelet neural networks (FWNNs) technique was used to provide improved approximation ability to the system uncertainty. The adaptive laws were derived for application to estimate the deadzone and friction parameters using recursive backstepping controller design procedures. In addition, the sliding mode control method was also combined to enforce the robustness of the output feedback backstepping controller against disturbance. The Lyapunov stability theorem was used to prove stability of the proposed control system. The usefulness of the proposed control system was verified by simulations and experiments on a robot manipulator in the presence of a deadzone and friction in the actuator.