预设性能下的输出受限船舶航向切换容错控制

针对船舶输出受限、执行器故障不确定性和受到未知海洋扰动的船舶航向控制问题,提出一种基于切换策略的自适应容错控制方案。利用对数障碍李雅普诺夫约束航向误差并将状态输出约束在有限范围内。结合预设性能理论和反步法,针对具有不确定参数和执行器故障的船舶控制系统,将健康执行器作为备用。通过设计一套监控函数来监督航向误差的动态范围,实现了在执行器故障且故障模式未知的情况下,船舶航向控制器从故障执行器切换到健康执行器,同时满足跟踪误差的收敛性及控制系统稳定性。仿真验证了所提出算法的有效性。

一类输出受限非线性系统的降维非递归预设性能控制策略

针对一类非匹配受扰非线性系统在输出受限条件下的跟踪控制问题,本文在预设性能控制过程中引入非递归设计框架,提出了一种降维非递归预设性能控制方案,以缓解常用的递归预设性能控制过程中出现的复杂性爆炸问题,大幅简化了系统的控制器设计过程,便于实际工程应用.本文设计的降维非递归控制策略能够实现控制器设计过程与稳定性分析的分离,并且具有控制器形式简洁、控制参数选取机制简单的优点.最后,选取具有代表性的数值仿真和永磁同步电机位置跟踪控制实验阐释了所提出的控制策略的有效性及简洁性.

基于干扰和输出受限的电机驱动机械臂轨迹跟踪控制

对于一类由直流电机驱动的机械臂,考虑了在干扰和输出受限下的轨迹跟踪控制问题。在干扰有界的条件下,设计了一个干扰观测器来估计干扰。为了防止违反约束条件,基于机械臂系统的结构特性,引入了一个障碍Lyapunov函数,然后设计了一个矢量形式的可调轨迹跟踪控制器,使跟踪误差可充分小,同时输出不能违反其约束界限。最后通过对一个拟人机械臂的仿真结果,验证了所提方案的有效性。

输出受限迟滞非线性系统的反步控制器设计

针对一类含有Bouc-Wen迟滞的输出受限非线性系统设计了反步控制器.首先分析了Bouc-Wen模型的特性并得到其上界值,然后设计了对称型障碍Lyapunov函数(barrier Lyapunov function,BLF),保证了BLF有界,从而满足了输出受限的条件,最后利用反步法设计控制器.该方法消除了迟滞引起的振荡和超调并且使得系统输出约束在设定的范围内,同时解决了迟滞和系统输出受限两个方面的影响,提高了控制精度.仿真和实验结果表明了控制方法的可行性.

输入输出受限的无人机防滑刹车系统容错控制

针对无人机防滑刹车系统工作过程中同时出现系统输出滑移率稳定区域受限、控制输入饱和与刹车执行机构故障的多重约束问题,提出了一种基于障碍Lyapunov形式的自适应神经网络反演容错控制器的设计方法。当刹车执行机构发生故障时,通过自适应神经网络补偿刹车系统中的非线性及不确定项。根据反演设计原理,应用神经网络输出设计相应的容错控制律,同时,在控制器的设计中引入鲁棒切换控制项,优化系统快速容错的暂态性能。首先本文设计的容错控制器无需精确获取执行机构在线故障的重构信息,也能使刹车闭环系统能够快速稳定,然后基于Lyapunov方法分析了系统的稳定性,最后通过数值仿真结果表明,所提出的容错控制算法能够有效地保证刹车执行机构故障时控制系统的稳定性和有效性。

输入饱和及输出受限的纯反馈非线性系统控制

针对具有输入饱和和输出受限的纯反馈非线性系统,设计了神经网络自适应控制器。首先利用隐函数定理和中值定理将非仿射形式的纯反馈非线性系统转换成有显式输入的非线性系统,基于李雅普诺夫第二方法以及反推法并采用障碍型李雅普诺夫函数进行控制器的设计,最后通过稳定性分析证明了闭环控制系统是半全局一致最终有界的,利用仿真例子验证了控制方案的有效性。

带有输入死区和输出受限的非线性系统自适应控制

研究带有输入死区和输出受限的非线性系统自适应控制.利用径向基函数神经网络逼近系统的未知非线性项和有界扰动,使用障碍李雅普诺夫函数约束系统的输出,基于李雅普诺夫稳定性原理构造控制器.仿真结果表明该控制器具有有效性.

考虑时变输出受限的机械臂自适应容错控制

针对机械臂执行器失效故障,提出了一种基于障碍李雅普诺夫函数的有限时间模糊自适应容错控制方法。该控制方法引入自适应技术用于估计执行器的失效程度,补偿执行器故障带来的损失,保证了控制器的控制效果,并采用模糊逻辑系统使得控制律中无须模型参数,从而增加了控制系统的适用性。该控制方法能够保证闭环系统的所有信号和状态是有限时间有界,关节位置的跟踪误差收敛到原点的一个小邻域内,在机械臂运行过程中不违反时变约束要求。最后,将所提控制方法应用于二自由度刚性机械臂,仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

具有输出受限的机械臂固定时间跟踪控制

以单链路机器人的机械臂系统为研究对象,基于反演控制策略和有限时间Lyapunov稳定性理论,研究其固定时间跟踪控制问题。考虑实际生产中的物理因素、安全问题等,需要对机械臂的转动角度进行约束。固定时间控制加快系统的收敛速度,且收敛时间与系统初始状态无关。所提控制策略的主要控制目标是保持系统输出变量在固定时间跟踪期望信号,且系统的跟踪误差收敛于原点的一个任意小的邻域内。最后,利用MATLAB仿真软件验证了所提设计方案的有效性。

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.

存在输出受限的高速列车自适应防滑控制

针对高速列车运行时存在车轮打滑的问题,提出一种将输出受限与模型参考自适应控制(model reference adaptive control, MRAC)相结合的防滑控制策略。该策略在障碍李雅普诺夫函数(barrier Lyapunov function, BLF)和MRAC算法作用下,可较好地实现防滑控制。首先,根据列车黏着原理建立动力学模型,再将黏着防滑问题转化为包含输出受限的蠕滑速度跟踪控制问题;其次,凭借BLF的约束能力以及MRAC特性,设计自适应防滑控制器;最后,证明该控制系统的稳定性。仿真实验表明,所设计的控制策略实现了对蠕滑速度曲线的渐近跟踪控制和列车防滑控制,且收敛速度快、跟踪误差小、防滑效果好,验证了该防滑控制策略的有效性。

混联式踝关节康复机构设计与输出受限控制研究

踝关节损伤是人体损伤常见形式,踝关节康复治疗受到越来越多的关注与研究。混联机构用于踝关节损伤后康复运动中,可有效提高康复机械装置康复效果。在对人体踝关节的结构特征和运动形式解析的基础上,提出一种4自由度的(2-UPU-PU)&R混联式康复机构。利用修正的K-G公式分析脚踝康复机构的自由度,基于闭环矢量法求解了机构的位置逆解,采用搜索法求解机构的工作空间,设计位置及速度输出受限控制系统,验证所设计机构能满足康复需求,保障使用安全性,为后续控制系统设计提供理论指导。

基于观测器和输出受限的磁浮列车悬浮控制

针对磁浮列车气隙速度不可测和气隙输出受限的悬浮系统控制问题,考虑存在外界干扰未知的情况,提出一种基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的输出受限磁浮列车悬浮系统反演控制方法。首先,设计一种可保证观测误差快速收敛和足够高估计精度的扩张状态观测器。随后,利用反演法设计控制器,将ESO的估测值引入同时保证输出气隙约束在一定范围内。最后,基于对称BarrierLyapunov函数证明了该方法的稳定性。数值仿真表明,该方法可以有效应对气隙速度不可测和广义干扰,同时能够保证悬浮系统输出气隙在安全范围内。

带有输入饱和及输出受限非仿射系统固定时间跟踪控制

针对具有量化输入饱和及输出受限的非线性非仿射系统,提出固定时间自适应神经网络跟踪控制方法.引入中值定理解决系统具有非仿射结构的问题;基于反步法,使用Barrier Lyapunov函数约束系统输出,并利用RBF神经网络逼近未知函数;根据固定时间控制理论设计输入信号,该输入信号由滞后量化器量化,以降低控制信号的通信速率,并保证该系统在满足量化输入饱和及输出受限的条件下,系统可以在固定时间内跟踪上期望信号,且该系统收敛时间与初始状态无关.最后通过Matlab仿真软件验证所设计控制器的有效性.

漂浮基柔性臂空间机器人输出力矩受限的自适应PID输出反馈

针对输出力矩受限的漂浮基柔性臂空间机器人的控制问题,结合系统动量守恒关系和拉格朗日方法建立了系统动力学模型;利用奇异摄动法,慢变子系统设计了输出力矩受限情况下仅有位置传感、建模不确定性及干扰的空间机械臂系统协调运动的自适应PID输出反馈控制算法,快变子系统设计了线性二次最优控制方法主动抑制。该算法采用高精度滤波器估计机器人关节速度,使得整个系统的闭环控制仅需位置输出反馈;在控制率中引入饱和函数,保证输出力矩在给定限制范围内,同时采用自适应PID控制器补偿建模不确定性和干扰。基于Lyapunov稳定性理论证明了该算法可确保控制系统是渐近稳定的,针对平面两关节漂浮基柔性臂空间机器人的仿真结果表明了所提出的控制方案良好的跟踪性和快速收敛性。

基于障碍Lyapunov函数的未知控制方向非线性系统的约束鲁棒输出调节

本文研究一类不确定非线性系统的约束鲁棒输出调节问题.在具有未知控制输入方向的情况下,要求被控非线性系统的受控输出在趋近于零的同时,被限制在给定的范围内.文章结合障碍Lyapunov函数和Nussbaum增益技术,进行反馈控制器的设计.通过MATLAB仿真验证了控制算法的合理性.同时,与基于二次型Lyapunov函数设计的仿真结果进行对比,表明了控制算法的有效性.

控制力矩受限的卫星姿态有限时间鲁棒控制算法

为了解决在卫星姿态控制问题中经典滑模控制器所存在的收敛速度慢、指数收敛的缺陷,同时为增强控制器对外部干扰与系统不确定性的鲁棒性,提出了一种对系统模型具有鲁棒性的快速收敛有限时间控制算法.针对传统滑模面角速度下降过快导致的收敛速率慢的缺陷,基于Lyapunov方法设计了一种具有三段式结构的有限时间滑模面,提升收敛速率并保证稳态精度,同时利用欧拉轴的特性消除有限时间控制中的奇异性问题;通过引入符号函数项,解决系统转动惯量的不确定性与外部干扰力矩问题;通过放缩控制律中的比例项解决控制力矩受限的问题;通过Lyapunov函数证明本文提出的控制律的有限时间稳定性,同时给出系统收敛的时间估计.理论分析与仿真结果均表明,提出的控制算法能够在大幅提升收敛速率的同时保证稳态精度.同时也表明了提升系统性态的关键是规划姿态角速度,即通过合理设计滑模面与期望角速度曲线可以实现提升系统收敛速率与鲁棒性的目的.

基于耦合反步法的轧机垂扭耦合振动控制策略研究

针对轧机机电液垂扭耦合系统存在耦合振动问题,提出一种基于耦合反步法的轧机垂扭耦合振动抑制控制策略.首先考虑轧机传动系统、液压系统与辊系机械间的相互影响,根据动力学定理,建立轧机机电液垂扭耦合振动数学模型.其次考虑到轧机耦合垂振系统和耦合扭振系统间存在状态耦合关系,利用耦合反步法,解决了振动控制器设计中存在的相互嵌套问题.针对耦合系统输出性能受限问题,借助于障碍李雅普诺夫函数方法,同时利用神经网络来逼近未知非线性函数,设计自适应神经网络振动抑制控制策略.基于李雅普诺夫稳定理论严格证明了本文设计的控制方法能够保证系统输出满足所要求的暂稳态性能指标.最后,根据650 mm轧机的实际数据进行仿真,验证了本文设计控制策略的有效性与优越性.

变形飞行器输出误差受限与输入饱和控制方法

研究了高超声速变形飞行器在考虑输出误差受限与输入饱和条件下的姿态控制问题。首先建立了考虑不确定性的动力学模型,基于双曲正切函数与辅助系统得到了面向输入饱和的控制系统,并设计了转换误差使系统能在更为宽松的收敛条件下实现输出误差受限控制。然后,基于模糊逻辑系统及有限时间理论设计了模糊干扰观测器(FDO),使系统对干扰的估计误差能在有限时间内收敛至原点。接下来设计了反步法控制系统,并基于Lyapunov稳定性理论证明了在考虑输出误差受限与输入饱和约束下的闭环系统收敛性。最后通过数学仿真验证了所设计方法的有效性。

鲁棒PD+卫星姿态快速机动控制器设计

针对控制力矩与角速度受限情形下的卫星姿态快速机动的控制问题,本文对传统PD控制器进行了改进,采用姿态机动的匀速与减速运动过程的方法大幅度提升系统收敛速率,设计PD+控制器使得系统状态能够沿着期望的滑模面进行运动,并通过构造Lyapunov函数对其进行证明,从而实现对PD控制器收敛时间的估计,并实现40%以上的系统收敛时间提升。在存在转动惯量不确定性与外部干扰力矩的情形下设计PD+控制器实现对于未知扰动的抑制。同时考虑到卫星正常运行对于姿态角速度与控制力矩的限制,证明了姿态控制参数与角速度范数之间的关系,给出了控制力矩与角速度受限情形下的控制律。最后通过数值仿真验证本文提出控制算法的有效性。