欠驱动AUV的鲁棒位置跟踪控制

为了实现具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV的水平面鲁棒位置跟踪,基于李雅普诺夫理论,使用反步法设计了一个非线性控制器,并利用滑模控制方法提高控制系统的鲁棒性;为了检验该控制器的性能,选择有时变参考速度的正弦曲线作为参考轨迹,在控制输入受限的情况下,对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV系统进行了数值仿真,结果表明本文设计的控制器能很好地实现欠驱动AUV的水平面位置跟踪控制,具有很强的鲁棒性。     

Trajectory tracking control for underactuated unmanned surface vehicles with dynamic uncertainties

The trajectory tracking control problem for underactuated unmanned surface vehicles(USV) was addressed, and the control system took account of the uncertain influences induced by model perturbation, external disturbance, etc. By introducing the reference, trajectory was generated by a virtual USV, and the error equation of trajectory tracking for USV was obtained, which transformed the tracking problem of underactuated USV into the stabilization problem of the trajectory tracking error equation. A backstepping adaptive sliding mode controller was proposed based on backstepping technology and method of dynamic slide model control. By means of theoretical analysis, it is proved that the proposed controller ensures that the solutions of closed loop system have the ultimate boundedness property. Simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed controller.     

模型不确定时滞欠驱动AUV的模糊变结构控制

为了实现具有时变水动力系数、未建模动态和时滞等不确定性的欠驱动自主水下航行器的鲁棒控制,以变结构控制的切换函数及其变化率为模糊控制器的输入,以变结构控制律的变化率为模糊控制器的输出设计了一个模糊变结构控制器;为了得到更好的性能,引入了压缩扩张隶属度函数,设计一定的模糊规则自适应地调整模糊控制器中的比例因子和量化因子;将该控制器和模糊变结构控制器,准滑模控制器进行了仿真对比,证明本文设计的控制器有更好的性能;最后基于该控制器对具有水动力系数不确定性,未建模动态和控制输入时滞的AUV运动模型进行了数值仿真,结果表明该控制器有很强的鲁棒性,而且控制成本很小,只在某些情况有极弱的抖振.     

Adaptive fuzzy integral sliding mode pressure control for cutter feeding system of trench cutter

A nonlinear pressure controller was presented to track desired feeding pressure for the cutter feeding system (CFS) of trench cutter (TC) in the presence of unknown external disturbances. The feeding pressure control of CFS is subjected to unknown load characteristics of rock or soil; in addition, the geological condition is time-varying. Due to the complex load characteristics of rock or soil, the feeding velocity of TC is related to geological conditions. What is worse, its dynamic model is subjected to uncertainties and its function is unknown. To deal with the particular characteristics of CFS, a novel adaptive fuzzy integral sliding mode control (AFISMC) was designed for feeding pressure control of CFS, which combines the robust characteristics of an integral sliding mode controller and the adaptive adjusting characteristics of an adaptive fuzzy controller. The AFISMC feeding pressure controller is synthesized using the backstepping technique. The stability of the overall closed-loop system consisting of the adaptive fuzzy inference system, integral sliding mode controller and the cutter feeding system is proved using Lyapunov theory. Experiments are conducted on a TC test bench with the AFISMC under different operating conditions. The experimental results demonstrate that the proposed AFISMC feeding pressure controller for CFS gives a superior and robust pressure tracking performance with maximum pressure tracking error within ±0.3 MPa.

     

Serret-Frenet frame based on path following control for underactuated unmanned surface vehicles with dynamic uncertainties

The path following problem for an underactuated unmanned surface vehicle(USV) in the Serret-Frenet frame is addressed. The control system takes account of the uncertain influence induced by model perturbation, external disturbance, etc. By introducing the Serret-Frenet frame and global coordinate transformation, the control problem of underactuated system(a nonlinear system with single-input and ternate-output) is transformed into the control problem of actuated system(a single-input and single-output nonlinear system), which simplifies the controller design. A backstepping adaptive sliding mode controller(BADSMC)is proposed based on backstepping design technique, adaptive method and theory of dynamic slide model control(DSMC). Then, it is proven that the state of closed loop system is globally stabilized to the desired configuration with the proposed controller. Simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed controller.     

机械臂非奇异快速终端滑模模糊控制

针对存在建模误差和外部干扰等大量不确定信息的机械臂轨迹追踪控制问题,提出带有自适应模糊系统的终端滑模控制方法. 该方法采用非奇异快速终端滑模面,使状态变量在滑动阶段具有全局快速收敛性;选取带有变系数的改进型双幂次趋近律,提高状态变量在趋近运动阶段的收敛速度,削弱控制器输出抖振;利用自适应多输入多输出（MIMO）模糊系统对系统模型以及外部干扰进行逼近,摆脱对具体模型信息的依赖,提高轨迹追踪精度和抗干扰能力. 通过构建Lyapunov函数证明系统的闭环稳定性和有限时间收敛性. 以Denso VP6242G串联机械臂为被控对象进行对比仿真和实验,结果表明所设计的控制器能有效提高轨迹追踪精度和抗扰动能力,并缓解控制器输出中的抖振现象.     

Adaptive fuzzy sliding mode control for coordinated longitudinal and lateral motions of multiple autonomous vehicles in a platoon

In this paper, the platoon control problem of autonomous vehicles in highway is studied. Since the autonomous vehicles have the characteristics of nonlinearities, external disturbances and strong coupling, a novel adaptive fuzzy sliding coordinated control system is constructed to supervise the longitudinal and lateral motions of autonomous vehicles, in which the fuzzy system is employed to approximate the unknown nonlinear functions. Due to the low sensitivity to disturbances and plant parameter variations, the proposed control approach is an efficient way to handle with the complex dynamic plants operating under un-certainty conditions. The asymptotic stability of adaptive coordinated platoon close-loop control system is verified based on the Lyapunov stability theory. The results indicate that the presented adaptive coordinated platoon control approach can accurately achieve the tracking performance and ensures the stability and riding comfort of autonomous vehicles in a platoon. Finally, simulation test is exploited to demonstrate the effectiveness of the proposed control approach.     

基于二阶滑模算法的船舶航向控制

针对非线性、易受外界扰动的欠驱动船舶航向控制系统,基于滑模控制算法的理念,直接对二阶航向控制系统中的控制输入进行设计,提出一种二阶滑模控制算法,通过设计合理的李雅普诺夫函数及利用其稳定性理论对系统的稳定性进行了分析,并利用"育龙"轮运动数学模型进行计算机模拟仿真,验证了该控制算法的合理性及有效性。该算法避免了计算中的维数膨胀问题,无需对不确定的外界摄动进行定性估计,可以保证闭环控制系统的渐近收敛及稳定。仿真结果表明,根据该控制算法所设计的控制器,能够有效解决非线性航向控制系统中存在的抖振、超调以及不能在有限时间内快速收敛的问题,而且对外界干扰以及系统摄动不敏感、具有强鲁棒性,具有很好的实践应用价值。     

一类非线性系统的自适应模糊滑模控制设计

针对一类含非匹配不确定项的非线性系统提出一种稳定的自适应模糊滑模控制方法。构造线性切换面确保滑动运动稳定，利用趋近率构造理想控制，用监督控制确保系统状态有界，用模糊逻辑系统逼近其连续项，用补偿切换来消除逼近误差，该方法有效地结合了自适应模糊控制和滑板控制的优点，控制器构造简单，稳定条件弱，控制性能好，仿真结果也证明了此方法的有效性。     

快速刀具伺服系统的模糊自适应滑模控制

针对由永磁同步直线电机驱动的快速刀具直线伺服系统在高频输入信号下跟踪控制精度低的问题,设计了模糊自适应滑模控制算法.算法采用滑模控制进行跟踪,利用模糊自适应控制方法对传统滑模控制器中的不连续控制量进行模糊逼近,同时对实际运行中系统的不确定因素进行补偿,并设计了相应的自适应算法以补偿模糊控制律的不足,从而有效降低抖振.仿真结果表明,算法可以解决伺服系统的高频跟踪问题,具有较快的响应速度,对负载扰动有较强的鲁棒性.     

一类柔性悬索结构的自适应滑模控制

针对悬索结构强非线性和大滞后的特点,提出了一种自适应滑模控制方法.从线性化模型出发建立多输入-多输出滑模控制器,并将模型偏差、风载荷视为系统的外部扰动,通过引入参数自适应律在线估计总的外部扰动,并加以补偿.在此基础上,针对大射电望远镜5 m模型,采用离散悬索模型和自适应滑模控制方法对舱索控制系统进行了仿真,并与传统的PID控制方法进行了对比.结果表明,采用自适应滑模控制后,不但位置误差减小到PID控制时的40%,而且提高了鲁棒性.     

一类不确定混沌系统的自适应模糊滑模广义投影同步

针对具有不确定性和外部干扰的主从混沌系统的广义投影同步问题,提出了一种自适应模糊滑模变结构控制方法,设计了模糊滑模变结构控制器及自适应控制律,并利用Lyapunov稳定性理论证明了所提方案的可行性和稳定性。所设计的控制器不受未知不确定性和外部干扰的影响,具有很强的鲁棒性,并可改变广义投影同步的比例因子,获得任意比例于原驱动混沌系统输出的混沌信号。通过对不确定主从Duffing-Holmes系统的数值仿真试验,验证了所设计控制器的有效性。     

基于模糊决策的推土机滑模鲁棒自适应控制

针对推土机作业效率低的问题,提出了一种推土机工作装置的自动控制方法.根据推土机发动机转速和转速变化率,结合操作经验和试验结果,采用模糊决策的方法对铲刀位置进行优化.考虑电液伺服系统的特性,设计了一种基于逐步递推方法的滑模鲁棒自适应控制器,用以跟踪经过模糊决策的铲刀目标位置.利用逐步递推方法和状态反馈线性化的方法,得到系统的滑模控制器;依据Lyapunov稳定性理论,得出系统的参数自适应律,并在自适应控制中引入鲁棒控制的设计方法,实现对模糊决策量的精确位置跟踪控制.实验结果表明,滑模鲁棒自适应控制具有较强的鲁棒性和良好的跟踪性能,模糊决策合理地优化铲刀目标调整位置,提高推土作业效率.     

多涡卷超混沌系统自适应滑模同步控制

研究了一类多涡卷超混沌系统的同步控制问题,同时考虑了不确定项和未知扰动的情况,提出了一种自适应滑模控制方案。综合利用滑模控制技术和自适应控制技术,消除了系统不确定性和未知扰动的影响,对于不确定性和未知扰动具有较好的鲁棒性。利用Lyapunov稳定性理论证明了系统同步误差渐近收敛到一个原点的小邻域内,系统渐近稳定。仿真结果验证了该方法的有效性。     

直流电动舵机的离散模糊变结构控制

针对外来扰动和不确定参数项对电动舵机伺服控制的影响以及传统滑模控制的抖振现象,设计了一种基于等效控制的离散模糊滑模控制方法。该方法利用模糊控制器调整切换控制量的值,消除不确定项及外来扰动的影响,柔化了控制信号。分析了直流电动舵机系统的工作原理并建立了数学模型,给出了离散模糊变结构控制器的设计过程,证明了系统的稳定性。仿真结果表明所设计的控制系统具有较好的鲁棒性,同时又降低了常规滑模控制所产生的抖振。     

移动式数控机床横梁磁浮系统的滑模-H_∞控制

针对龙门移动式数控机床在运行过程中参数摄动以及未建模动态参数可能对系统造成的影响,结合鲁棒H∞理论的控制方案设计出自适应积分滑模控制器.通过积分滑模变结构控制器对整个系统进行鲁棒控制,以确保磁悬浮系统的稳定性和精确性.为降低滑模控制器抖振的发生,采用自适应控制对控制律中的不确定值进行估测.考虑到刀具切削部件所引起的系统质量变化以及外力干扰等对系统的影响,在控制过程中结合了H∞的控制理论,以增加系统的鲁棒性.仿真研究结果表明,与传统控制器相比该控制器具有很强的抑制扰动能力,可以实现稳定悬浮.     

Lorenz混沌系统的自适应模糊滑模控制

应用指数趋近律的方法为一类Lorenz混沌系统设计了滑模控制器.考虑系统所受外部扰动且其界参数未知,引入了简单的自适应律,使其能对外部扰动的界参数进行在线估计.为解决滑模控制系统中的滑模抖振问题,同时保证系统的暂态性能,通过模糊规则来调节指数趋近律的参数,得到了一类自适应模糊滑模控制器.仿真结果表明该控制方案的可行性.     

一类时滞不确定离散系统的鲁棒自适应滑模控制

主要研究一类具有不确定项和外部扰动的离散时滞系统的鲁棒自适应控制,假设扰动和不确定项是有界的,而扰动和关于状态的不确定项的边界是不必知道的.设计了自适应控制器以保证系统能在有限时间内到达切换面,并且收敛到包含原点的一定的有界区域内.仿真的结果说明了该方法的有效性.     

菱形翼布局无人机自适应分数阶滑模姿态控制

为研究存在复合干扰的非常规布局菱形翼长航时侦察无人机姿态控制问题,针对系统存在强耦合、非线性、多输入多输出等特点,结合滑模变结构控制理论、分数阶微积分理论、自适应控制理论、新型基于非线性fal函数的快速趋近律及扩张状态干扰观测器,提出了一种包含干扰观测器的自适应分数阶微积分滑模控制方法.首先,为降低控制器的超调现象,结合分数阶微积分理论,利用分数阶微积分算子信息记忆和遗忘的特性,设计了分数阶微积分滑模面,以柔化控制器的输出,使得控制器超调现象得到良好的控制. 其次,为改善传统趋近律收敛时间长,抖震严重等弱点,利用fal函数“小误差大增益,大误差小增益”良好的特性,将非线性fal函数引入到趋近律的设计中,提出了一种可以快速收敛的新型趋近律,平滑无抖震地加快了系统收敛速度. 最后,由于建模误差和外部干扰的存在,使用扩张状态干扰观测器观测出等效干扰并在控制器中引入等效的补偿. 数值仿真结果表明,所提控制方法具有很强的鲁棒性,达到了理想的控制效果.     

欠驱动水面船舶的非线性滑模轨迹跟踪控制

针对模型参数存在不确定性和风、浪、流时变干扰的三自由度欠驱动水面船舶动态轨迹跟踪控制问题,根据滑模控制对系统的不确定性和外界干扰具有鲁棒性的特点,提出了一种新型的非线性滑模控制律设计方法.在设计时根据欠驱动水面船舶的固有特性,船舶在横向上没有驱动,如果要同时控制船舶水平面位置和艏摇角3个自由度的运动,就需要分别引入关于纵向跟踪误差的一阶滑动平面和关于横向跟踪误差的二阶滑动平面来间接设计控制律.仿真结果表明,所设计的控制器能够使船舶跟踪虚拟船产生的参考轨迹,对参数不确定和外界扰动具有强的鲁棒性.