时变输出约束非线性系统的量化反馈 自适应终端滑模控制

针对一类复杂非线性系统,提出一种新型自适应快速非奇异终端滑模控制(IAFNTSMC)方法,用以解决其在输出时变约束及量化输入情形下的轨迹跟踪问题;利用鲁棒自适应方法处理扰动不确定性,并结合反演策略和终端滑模策略设计控制器;构造一种新型的时变约束障碍Lyapunov函数,用于实现对系统的输出误差进行随时间变化的幅值约束;为提高闭环系统的误差收敛速度,提出一种新型的滑模面构造方案.所提控制方法能够保证闭环系统的输出跟踪误差快速收敛到约束边界内,并确保闭环系统所有信号有界.数值仿真验证了所提方法的有效性.     

双侧电驱动履带车辆运动解耦与变结构控制

针对双侧电驱动履带车辆运动控制强非线性、强耦合和不确定性的特点,提出一种解耦的控制结构,并设计各子系统控制器.首先,将运动控制系统分解为速度、横摆角速度两个独立子系统,克服传统差速控制存在的强耦合.其次,采用积分滑模控制方法,引入非线性积分滑模面,设计了能有效克服路面不确定扰动、消除积分饱和的速度控制器,实现车速的无超调、无静差的跟踪;考虑驱动电机饱和约束,结合模糊自适应与滑模控制算法,设计了能够适应转向阻力非线性变化的横摆角速度控制器,提高车辆转向运动控制的抗扰能力、降低控制量抖振.仿真结果表明,控制策略实现多种工况下车辆快速、准确的直线、转向运动控制.     

时变终端滑模自适应有限时间控制算法

为实现非线性系统输出对期望轨迹的有限时间内精确跟踪，提出一种有限时间鲁棒控制算法。通过设计一种无到达过程的时变终端滑模面，在保证有限时间收敛的基础上，消除了传统滑模控制中固有的稳态误差，实现系统输出对期望轨迹的精确跟踪。设计了自适应更新律补偿由参数摄动导致的系统扰动，增强系统对内部未知参数摄动的鲁棒性。对比仿真结果表明：时变终端滑模控制比线性滑模控制的轨迹跟踪时间快41.5%；线性滑模控制器下的轨迹跟踪稳态误差为0.005，时变滑模控制器使轨迹跟踪的稳态误差降为0，实现精确跟踪。     

考虑执行器性能约束的刚体航天器鲁棒姿态跟踪控制

针对存在模型不确定性、外界干扰力矩和执行器性能受限等约束条件下的刚体航天器姿态跟踪控制问题进行研究,并基于滑模控制、反步控制、自适应控制、辅助系统和动态面控制等方法设计相应的鲁棒姿态跟踪控制算法.利用自适应控制实现了对具有多项式形式上界函数的系统未知不确定性进行在线估计和补偿;通过建立描述执行器动态特性的低通滤波模型,并结合辅助系统方法,以确保执行器输出控制力矩的幅值及其变化率均满足一定的饱和约束;通过引入动态面控制法,避免期望虚拟控制信号的一阶导数项直接出现在控制器中,简化了闭环姿态跟踪控制器的设计形式.最后,通过数值仿真验证了所提出控制算法的有效性和可行性.     

一种球形滚动机器人的路径跟踪控制器设计

对一种球形滚动机器人的路径跟踪问题进行研究,设计一种基于自适应滑模控制策略的路径跟踪控制器。所设计的路径跟踪控制器采用鲁棒滑模自适应增益控制律,能够有效实现带有扰动和不确定性的实际球形滚动机器人的路径跟踪。推导球壳纯滚动和无自转非完整约束下球形滚动机器人的运动方程,并在此基础上设计自适应滑模路径跟踪控制器。对于给定的参考几何路径,所设计的路径跟踪控制器能够确保路径跟踪误差在有限时间内收敛至很小的零邻域内。基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性,数值仿真与样机实验结果进一步验证了所设计的路径跟踪控制器的有效性。     

含状态时滞不确定性系统的全滑模控制

针对一类存在状态时滞的不确定性系统,研究了全滑模控制器的设计问题.为了加强和改善系统的稳定性,提出了一种构造积分滑模面的新方法,在传统积分滑模面的基础上增加时滞补偿项,使得整个响应过程对于满足匹配条件的不确定性具有完全的鲁棒性,能够消除趋近阶段,实现全滑模控制.系统地给出了全滑模控制器的设计过程,采用线性矩阵不等式(LMI)方法,给出并证明了滑动模态渐近稳定的充分条件.设计的滑模控制律保证了滑模的存在并能有效地克服不确定性的影响,从而实现了全局鲁棒滑模控制.对所提出的控制算法进行了数值仿真,结果表明了该方法的有效性和可行性.     

仿生假手抓握力控制策略

为了使仿生假手完成各种精细作业,提出一种抓握力控制策略.在自由空间和约束空间中分别使用基于位置的阻抗控制和力跟踪阻抗控制.在过渡过程中使用模糊观测器切换控制模式.两种控制模式采用同一个基于位置的阻抗控制器,在约束空间向阻抗控制器中引入参考力,以满足约束空间的抓握力控制要求.这种方法可以使关节在自由空间和约束空间中分别实现良好的轨迹跟踪和力矩跟踪,在过渡过程中实现控制模式的可靠切换和系统的稳定过渡.提出一种自适应滑模摩擦力补偿方法,利用终端滑模思想设计了滑模函数,使得系统跟踪误差在有限时间内收敛,避免了传统线性滑模面状态跟踪误差无法在有限时间内收敛至0的问题.根据指数形式摩擦力的特点,利用终端滑模控制思想获得包含摩擦力参数估计的滑模控制律,并基于李亚普诺夫稳定性定理推导了估计参数的在线自适应律.对该抓握力控制策略在HIT假手上进行了抓取实验,实验结果证明了控制策略的有效性.     

基于干扰观测器的航天器非奇异终端二阶滑模控制

为了消除干扰力矩和结构不确定性对卫星姿态控制性能的影响,本文提出了一种基于新型干扰观测器的非奇异终端二阶滑模控制方法.首先,文章设计了一种基于跟踪微分器的干扰观测器,来对卫星系统中的不确定项进行估计,利用估计值进行补偿,并保证估计误差在有限时间内收敛.在此基础上,文章设计一个非奇异终端滑模面,当系统到达滑模面时,姿态误差可以在有限时间内收敛,并利用二阶滑模趋近律设计控制器,保证系统在有限时间到达滑模面.在干扰观测器误差未完全收敛时,滑模控制器可以对存在的扰动进一步抑制,实现姿态跟踪系统的有限时间稳定,并通过李雅普诺夫方法严格证明了其稳定性.最后,仿真结果表明,干扰估计值误差可以在有限时间内收敛,证明了该控制方法对存在的干扰是具有较好的鲁棒性.     

不确定时变时滞系统的自适应全局鲁棒滑模控制

针对一类存在时变状态时滞的不确定性系统, 基于全程滑模的思想, 引入一种带状态时滞项的积分型滑模面, 以消除趋近模态, 实现全程滑模控制; 基于一种新颖的自由权矩阵时滞转换模型, 采用线性矩阵不等式(LMI) 的方法给出并证明了滑动模态稳定的充分条件, 降低了保守性; 结合自适应控制思想设计出自适应滑模控制器, 克服了不确定性以及时变的时滞影响.

     

四旋翼无人机安全轨迹跟踪控制

针对存在安全约束的四旋翼无人机,为了保证其能够快速稳定地跟踪给定轨迹,本文提出了一种基于双闭环思想及控制障碍函数求解二次规划问题的控制器设计框架.首先,考虑到无人机的模型不确定性及外界干扰问题,基于快速非奇异终端滑模面设计了双闭环标称控制器,能够实现有限时间快速收敛.进一步地,为了解决无人机遇到的状态、距离约束等安全控制问题,利用控制障碍函数,将带有约束的控制器设计问题转化成二次规划的求解问题.最后,对提出的控制策略进行了仿真,验证了控制器的快速性和鲁棒性,并实现了给定轨迹的安全跟踪.     

基于非线性迭代滑模的欠驱动UUV三维航迹跟踪控制

为实现欠驱动无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle, UUV)在未知海流干扰作用下的三维航迹跟踪控制, 提出一种基于工程解耦思想设计的非线性迭代滑模航迹跟踪控制器. 基于虚拟向导的方法,建立UUV空间航迹跟踪误差方程;采用迭代方法设计非线性滑模控制器, 无需对UUV模型参数不确定部分和海流干扰进行估计,避免了舵的抖振现象以及减小了稳态误差与超调问题. 仿真实验表明,设计的控制器对欠驱动UUV系统的模型参数摄动及海流干扰变化不敏感、 且设计参数易于调节,可以实现三维航迹的精确跟踪.     

A singular system approach to robust sliding mode control for uncertain Markov jump systems

The robust sliding mode control for Markov jump systems with parameter uncertainties and an unknown nonlinear function is discussed. Based on a singular system approach and linear matrix inequality (LMI), a sufficient condition which guarantees the existence of linear switching surface and the stochastic stability of sliding mode dynamics is given. A sliding mode controller is designed such that the closed-loop system is convergent to the switching surface in finite time. A numerical example is given to show the effectiveness of the proposed method.     

基于离散滑模预测的欠驱动AUV三维航迹跟踪控制

针对欠驱动自主水下航行器（AUV）的模型不确定和外界海流干扰问题,为了实现欠驱动AUV的三维航迹跟踪控制,采用虚拟向导法建立空间运动误差离散化模型.基于递归滑模思想设计离散滑模预测控制器,利用滚动优化和反馈校正方法补偿了不确定项对滑模预测模型的影响.最后针对某欠驱动AUV进行了空间曲线跟踪控制仿真实验.结果表明,所设计的控制器可以较好地克服时变非线性水动力阻尼对系统的影响,并对外界海流干扰有较好的抑制作用,保证了欠驱动AUV三维航迹跟踪系统的鲁棒性,实现了三维航迹的精确跟踪.     

带有干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

针对高超声速飞行器非线性和易受干扰影响的特点,提出了带有扩张状态干扰观测器的连续滑模控制方法.在对飞行器非线性模型做线性化处理的基础上,设计了一种连续时间滑模控制器.该控制器在对不确定性和未知动态保持鲁棒性的基础上,消除了传统滑模中存在的抖振现象.对系统中存在的外加干扰,设计了扩张状态干扰观测器.将外加干扰作为系统的一个状态变量被估计出来,再将估计值用作滑模控制器的补偿量,进而达到消除外干扰的目的.在高超声速飞行器巡航飞行状态的基础上进行了仿真.仿真结果表明,所提出的方案能够满足控制要求.     

空间三关节机器人模糊积分滑模控制

研究提高关节机器人轨迹跟踪控制的性能,由于关节机器人运动中产生振动,影响系统的稳定性能。为解决上述问题,提出了一种反馈线性化的自适应模糊积分滑模控制方法。在上述方法的基础上,对机器人非线性动力学模型反馈线性化。为了进一步提高滑模控制的精度,设计了一种积分滑模面的滑模控制器,可以减弱积分滑模控制的抖振。通过设计一个模糊控制器,根据积分滑模面的大小自适应地调节积分滑模控制的切换部分,达到削弱抖振的目的。利用李亚普诺夫定理证明了控制系统的稳定性。仿真结果表明,改进方法有效地提高了关节机器人跟踪控制性能。     

基于自适应滑模的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制算法

针对欠驱动水面无人艇在航行过程中存在的海洋环境干扰、数学模型参数不确定、执行器故障等问题,提出了一种基于扰动观测器与神经网络技术的自适应滑模轨迹跟踪策略。在无人艇三自由度模型的基础上,结合视线制导率,提出了一种新的轨迹跟踪制导策略。采用自适应滑模控制技术设计了欠驱动无人艇轨迹跟踪控制器,有效地抑制了执行器衰减故障对无人艇控制系统的影响;同时运用了非线性扰动观测器和自适应径向基函数神经网络分别对无人艇受到的外界干扰和模型参数不确定性进行补偿和拟合,提高了控制系统的抗干扰能力。基于Lyapunov定理证明了所设计的控制系统的稳定性,并在MATLAB中进行了仿真测试。仿真结果表明,所提出的轨迹跟踪控制算法可以在较为复杂的环境下实现对欠驱动无人艇的精准控制;相较于对比算法,位置的平均跟踪误差减小了80%以上,具备较高的稳定性和鲁棒性。     

用于刚性机械手的无抖振快速终端滑模控制

提出一种用于刚性机械手的无抖振动终端滑模鲁棒控制器。快速终端滑模综合了终端滑模和传统线性滑模的优，能在有限时间内到达平衡点，并降低系统稳态误差。采用优化方法推导出系统的跟踪精度和用于消除抖振的饱和函数和函数宽度之间的数学关系。利用系统的参数化模型，可将参数的不确定部分从回归矩阵中分离出来.根据每个参数不确定范围设计鲁棒控制器。仿真结果证明了该方法的有效性。     

智能车辆的滑模轨迹跟踪控制

智能车辆是集各种机械装置、传感器、计算机于一体的复杂非线性系统,其轨迹跟踪控制器是研究的关键技术之一。针对高速自主导航智能车辆轨迹跟踪控制器鲁棒性、精确性和实时性的高要求,在智能车辆结构组成与运动模型基础上,设计了一种滑模变结构控制器。通过控制智能车辆的线速度和角速度实现智能车辆对任意路径的跟踪,并用Matlab进行了仿真实验。结果验证了该方法的有效性和可靠性。     

直流降压变换器的降阶扩张状态观测器与滑模控制设计与实现

本文针对直流降压变换器的负载电阻扰动和输入电压变化等系统不确定因素对输出电压的影响,提出了基于降阶扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+RESO).首先设计降阶扩张状态观测器对系统状态,负载电阻扰动和输入电压变化进行估计,然后基于估计值利用滑模控制技术设计控制器,实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性.值得注意的是,不同于文[1]所提出的基于扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+ESO),本文所提出的方法采用降阶扩张状态观测器,实现简单,且无需电流传感器,减小了实际应用的成本.利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性.仿真和实验结果表明,与已有的基于扩张状态观测器的滑模控制方法相比,所提出的控制方法更好地改善了系统的跟踪性能和对干扰和不确定性的鲁棒性能,且减少了成本,但是牺牲了系统稳态性能.     

Adaptive fault‐tolerant spacecraft attitude control using a novel integral terminal sliding mode

The attitude tracking of a rigid spacecraft is approached in the presence of uncertain inertias, unknown disturbances, and sudden actuator faults. First, a novel integral terminal sliding mode (ITSM) is designed such that the sliding motion realizes the action of a quaternion‐based nonlinear proportional‐derivative controller. More precisely, on the ITSM, the attitude dynamics behave equivalently to an uncertainty‐free system, and finite‐time convergence of the tracking error is achieved almost globally. A basic ITSM controller is then designed to ensure the ITSM from onset when an upper bound on the system uncertainties is known. Further, to remove this requirement, adaptive techniques are employed to compensate for the uncertainties, and the resultant adaptive ITSM controller stabilizes the system states to a small neighborhood around the sliding surface in finite time. The proposed schemes avoid the singularity intrinsic to terminal sliding mode‐based controllers and the unwinding phenomenon associated with some quaternion‐based controllers. Numerical examples demonstrate the advantageous features of the proposed algorithm. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.