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.     

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.     

输入受限的非仿射无人帆船航向系统自适应动态面控制

针对输入受限和控制方向未知的无人帆船航向控制问题,考虑系统模型存在动态不确定和未知外界扰动的情况,本文提出一种基于非仿射航向运动数学模型的最小参数自适应递归滑模动态面控制策略.该策略通过Taylor展开方法将非仿射模型转化为具有线性结构的仿射时变系统,采用最小参数学习(minimal learning parameter,MLP)神经网络逼近无人帆船模型不确定部分,并利用双曲正切函数处理控制输入饱和现象,引入Nussbaum函数处理系统中未知控制方向问题,同时综合考虑帆船艏摇角速度误差和航向误差之间关系设计递归滑模动态面舵角控制律,并设计参数自适应律对神经网络逼近误差与复合干扰总和的界进行估计.选取李雅普诺夫函数证明了所设计控制器能够保证航向闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘12 m无人帆船进行仿真验证,结果表明无人帆船航向控制响应速度快,所设计的控制器能有效地处理模型不确定项和风浪等外界扰动,具有较强的鲁棒性.     

基于Backstepping的倒立摆鲁棒跟踪控制

针对内部参数不确定及存在外部干扰的非线性倒立摆系统,提出了基于Backstepping方法的滑模变结构控制律,并且采用RBF神经网络逼近系统不确定非线性函数,同时引入滑模误差对其神经网络权值进行在线自适应调整,使神经网络的逼近速度加快,改善了动态性能.该控制律能保证倒立撰轨迹跟踪误差的快速收敛性以及对外部扰动和内部参数不确定的不敏感性,最后给出的仿真实例证明了该理论分析结果的正确性,控制效果良好.     

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.     

非线性增益递归滑模动态面自适应NN控制

针对一类严反馈非线性不确定系统的跟踪控制问题,提出一种非线性增益递归滑模动态面 (Dynamic surface control, DSC)自适应控制方法. 通过设计一个新的非线性增益函数,并构造递归滑模动态面的控制策略和新的Lyapunov函数,同时利用神经网络在线逼近系统不确定项, 该方法有效解决了具有输入饱和约束条件下系统控制精度与动态品质间的矛盾,增强了控制器对其自身参数摄动的非脆弱性. 理论证明了闭环系统所有状态是半全局一致最终有界的,且跟踪误差可收敛至任意小.     

基于RENN 的柔性关节机械臂自适应动态面控制

针对面贴式永磁同步电机驱动的柔性关节机械臂动力学模型具有非线性、不确定性和未知外部扰动等特点,提出一种自适应动态面控制方法来实现其关节轨迹跟踪控制．控制律由动态面技术得到,降低了反推控制器的复杂性．模型不确定因素由递归Elman神经网络在线补偿,神经网络权值自适应律通过Lyapunov稳定性分析推导得到．仿真研究表明,该方法对于载荷不确定和外界扰动具有较强的鲁棒性,与传统动态面法相比,大大提高了柔性关节的位置跟踪精度．     

多关节机械臂轨迹跟踪自适应神经网络滑模控制

针对不确定干扰和建模误差对多关节机械臂轨迹跟踪控制系统造成的不良影响,对基于滑模控制的自适应神经网络滑模控制算法进行了研究。通过神经网络,对多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的不确定干扰和建模误差进行逼近。添加自适应项,补偿神经网络滑模控制中神经网络模型对系统中的不确定干扰和建模误差的逼近误差。设计了具有指数趋近律的滑模面,以提升多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的鲁棒性和响应速度。使用李雅普诺夫稳定性理论,证明了多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的半全局稳定性,并通过MATLAB对理论结果进行了仿真验证。仿真结果表明,对具有不确定干扰和建模误差的多关节机械臂轨迹跟踪控制系统,采用该算法进行轨迹跟踪时,具有较好的稳定性与鲁棒性。该控制算法能合理应用到此类轨迹跟踪控制系统中。     

非脆弱递归滑模动态面自适应神经网络控制

针对一类非匹配不确定非线性系统的跟踪控制问题, 提出了一种递归滑模动态面自适应控制算法. 采用神经网络(neural network, NN)在线逼近系统不确定项, 通过设计递归滑模动态面有效综合反推步骤中每步跟踪误差之间相互影响和制约的关系. 该方法避免了反推法存在的“微分爆炸”问题, 克服了传统动态面方法对其低通滤波器时间常数和神经网络自适应参数摄动脆弱的缺点. 稳定性分析证明了该方法能够保证闭环系统所有状态半全局一致最终有界, 且跟踪误差可以收敛至原点的任意小邻域.     

基本积分型李亚普诺夫函数的直接自适应神经网络控制

针对一类具有下三角形函数控制增益矩阵的非线性系统,基于滑模控制原理,并利用 多层神经网络的逼近能力,提出了一种直接自适应神经网络控制器设计的新方案.通过引入积 分型李亚普诺夫函数及残差与逼近误差和的上界函数的自适应补偿项,证明了闭环系统是全局 稳定的,跟踪误差收敛到零.     

四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.     

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.     

Robust adaptive trajectory tracking control of underactuated autonomous underwater vehicles with prescribed performance

In this paper, a novel robust adaptive trajectory tracking control scheme with prescribed performance is developed for underactuated autonomous underwater vehicles (AUVs) subject to unknown dynamic parameters and disturbances. A simple error mapping function is proposed in order to guarantee that the trajectory tracking error satisfies the prescribed performance. A novel additional control based on Nussbaum function is proposed to handle the underactuation of AUVs. The compounded uncertain item caused by the unknown dynamic parameters and disturbances is transformed into a linear parametric form with only single unknown parameter called virtual parameter. On the basis of the above, a novel robust adaptive trajectory tracking control law is developed using dynamic surface control technique, where the adaptive law online provides the estimation of the virtual parameter. Strict stability analysis indicates that the designed control law ensures uniform ultimate boundedness of the AUV trajectory tracking closed‐loop control system with prescribed tracking performance. Simulation results on an AUV in two different disturbance cases with dynamic parameter perturbation verify the effectiveness of our adaptive trajectory tracking control scheme.     

风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制

针对欠驱动船舶的模型参数不确定和外界风浪流干扰问题,为实现水平面的航迹跟踪控制,提出了一种基于上下界的滑模控制方法.首先利用反步法将控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路.其次,在运动学回路中为实现位置跟踪误差的收敛,根据期望航迹与当前位置信息,设计船舶的纵向与侧移参考速度,并视为镇定位置误差的虚拟控制律;在动力学回路中,将虚拟控制律作为新的跟踪目标,利用滑模方法设计实际控制律实现对参考速度的跟踪控制,最终实现了欠驱动船舶的跟踪控制.最后对有无干扰下的欠驱动船模分别进行了仿真实验,仿真结果证明了控制律的有效性.     

动力定位船舶纵向运动的反步法控制器设计

本文研究了动力定位系统的控制策略,针对船舶动力定位系统模型的非线性特性,考虑到风浪流等外部环境扰动对船舶引起的恒值干扰及其不确定性,基于带有未知定常扰动的三自由度非线性船舶水面运动数学模型,应用自适应反步法设计船舶动力定位控制律,将Lyapunov函数选取和控制器设计相结合的回归设计方法,并在MATLAB软件环境下通过仿真研究验证模型和控制策略的有效性。在计算机仿真研究中,以26:1比例建造的2800mm×762mm×498mm船模为设计实例。     

船舶航向非线性系统鲁棒跟踪控制

对船舶航向非线性系统, 提出了一种基于神经网络方法的鲁棒跟踪控制器. 系统由船舶运动非线性响应模型和舵机伺服系统串联构成, 其中运动响应模型考虑了建模误差和外界干扰力等非匹配不确定性. 对建模误差和期望舵角的一阶导数项应用在线二层神经网络予以辨识和补偿, 不确定性干扰项处理应用L2增益设计. 采用Lyapunov函数递推法, 得到包括神经网络权值算法在内的跟踪控制器. 跟踪误差和神经网络权值误差的一致终值有界性保证了系统的鲁棒稳定性, 合理的控制器参数选择保证了控制精度. 仿真结果验证了控制器的有效性.