Missile formation controller design based on disturbance observer and finite-time control

To keep multiple missiles to fly in a formation, a robust controller for missile formation is designed. Based on the leader-follower formation mode, two formation relative motion models in different coordinate frames are established and compared. The three-dimension model built in a follower reference coordinate frame is chosen due to its control inputs decoupling, then this model is decoupled into three subsystems. For each subsystem a robust formation controller is proposed based on the disturbance observer and f＇mite-time control theory when the external disturbance exits. The stability of the closed-loop system adopting the controller is proved theoretically. Simulation resuits show that the follower can foUow the leader and keep the desired formation despite the external disturbance, which validates the effectiveness of the proposed robust formation controller.

Continuous Sliding Mode Controller with Disturbance Observer for Hypersonic Vehicles

In this paper, a continuous sliding mode controller with disturbance observer is proposed for the tracking control of hypersonic vehicles to suppress the chattering. The finite time disturbance observer is involved to make that the continuous sliding mode controller has the property of disturbance rejection. Due to continuous terms replacing the discontinuous term of traditional sliding mode control, switching modes of velocity and altitude firstly arrive at small regions with respect to disturbance observation errors. Switching modes keep zero and velocity and altitude asymptotically converge to their reference commands after disturbance observation errors disappear. Simulation results have proved the proposed method can guarantee the tracking of velocity and altitude with continuous sliding mode control laws, and also has the fast convergence rate and robustness. © 2014 Chinese Association of Automation.

未知扰动下的无人艇编队优化轨迹跟踪控制

[目的]针对水面无人艇(USV)编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制(FDO-OBC)方法。[方法]首先,基于虚拟结构法,建立无人艇编队控制框架,并设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;然后,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,利用扰动观测器信息来计算最优控制输入,实现无人艇编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明该编队控制方法的稳定性。[结果]仿真对比结果表明,FDO-OBC策略可有效提高无人艇编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]对于面向扰动环境下的无人艇编队控制系统设计,FDO-OBC方法提供了一种新的技术手段。

四旋翼无人机不匹配扰动抗干扰控制

针对四旋翼无人机存在的不匹配干扰和执行器故障等现象,提出了一种基于有限时间观测器的飞行控制方案。从无人机的运动学模型出发,构建了受执行器故障和不匹配干扰影响的控制模型。将干扰观测器与非奇异终端滑模控制(NTSMC)方法相结合,以实现复合抗干扰和容错控制器设计。首先,设计了两个非线性有限时间扰动观测器来估计不匹配扰动和执行器故障,有限时间观测器使得估计误差在有限时间内收敛到零。其次,将观测器与NTSMC控制方法结合,以在有限的时间内实现跟踪,并有效地减少抖振。最后,从理论和仿真验证了控制方法的有效性和所期望的控制性能。

干扰条件下无人艇编队有限时间同步控制

针对有限时间控制中各状态分量收敛时间不同问题,提出一种无人艇编队有限时间同步控制框架,在此框架下设计的有限时间同步编队控制方法可巧妙地达到无人艇所有自由度编队误差在同一时刻收敛到平衡点.首先,针对现有干扰观测器与时间同步稳定框架不兼容问题,设计有限时间同步干扰观测器;然后,利用比例保持特性设计有限时间同步编队控制器,并验证了所提控制方法的稳定性;最后,通过3艘无人艇编队进行仿真实验,实验结果验证了所提控制方法的有效性和优越性.所提控制方法对有限时间同步控制需求的航海、航空航天和工业领域具有现实意义.

基于双模态有限时间滑模的永磁同步电机抗扰动控制

目的解决包装机工作过程中,因永磁同步电机的动态响应慢和抗扰动能力弱导致包装机精度不高的问题。方法设计一种双模态有限时间滑模控制器,实现系统有限时间收敛。将双模态函数引入趋近律增益,不仅能实现“大误差大增益,小误差小增益”,而且趋近律增益切换为小增益的时间可调,从而使电机获得更快的响应速度和更小的抖振。同时,设计有限时间扰动观测器对扰动进行观测,并进行前馈补偿,以此来提高系统的抗扰性能。结果实验结果表明,文中方法相较于另外2种对照方法,可以使电机的动态响应分别提升27%、37%,控制性能分别提升40%、70%,相较于超螺旋扰动观测器,可以使电机的抗扰性能提升58%。结论所提控制策略可以明显提高系统的动态响应、控制性能、抗扰性能,使得永磁同步电机更符合包装机的要求。

基于干扰观测器的上肢外骨骼终端滑模控制

针对可穿戴上肢外骨骼系统在存在外界干扰和模型误差条件下的轨迹跟踪问题,提出了基于有限时间干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制策略。首先,基于有限时间控制理论设计了干扰观测器,对建模误差和外界干扰进行在线估计,实现估计误差在有限时间内收敛到零;在此基础上,设计了非奇异快速终端滑模控制器,实现外骨骼在有限时间内对期望轨迹的准确跟踪。然后,基于李雅普诺夫理论证明了闭环系统的稳定性。最后,仿真结果证明了所提控制策略的收敛速度快、鲁棒性强。

双极性直流微电网的改进型高阶滑模自抗扰控制

针对双极性直流微电网中分布式新能源的系统功率波动、负载侧负荷频繁投切等不确定因素所引起母线电压波动问题,以基于风光互补含混合储能的双极性直流微电网为研究对象,提出一种双闭环改进型高阶滑模自抗扰控制策略。首先,依据自抗扰理论将控制系统拟合为一阶系统模型,转化为自抗扰控制系统范式。其次,设计了改进型超螺旋滑模控制器代替传统自抗扰控制中的线性控制器,引入了具有快速收敛性的级联有限时间扩张状态观测器代替线性扩张状态观测器,既能通过高阶滑模控制算法抑制抖振,又能提高对系统集总扰动的估计精度,从而利用非线性控制策略的优势改善系统动态响应过程及抗扰性能。然后,通过Lyapunov理论证明控制系统的稳定性。最后,基于Matlab/Simulink仿真软件以及搭建实验平台对3种不同控制策略进行对比验证,实验表明所提控制能够很好地抵抗扰动和提高系统的暂态性能。

水下机器人有限时间三维轨迹跟踪控制

针对水下机器人在外界扰动和未建模动态综合作用下的三维轨迹精确跟踪问题,提出基于有限时间扰动观测器的连续控制策略。首先,设计有限时间扰动观测器,快速观测系统集总扰动,提高系统的抗干扰能力。然后,在反步控制框架下,结合非线性反馈和精确前馈信号,设计连续的三维轨迹跟踪控制器,以便于实际驱动器执行,并严格保证该闭环系统在李雅普诺夫意义下有限时间稳定。最后,以著名的“REMUS”水下机器人为模型,开展三维轨迹跟踪控制的仿真试验。结果表明:基于有限时间扰动观测器的连续控制策略能够精确地补偿系统集总扰动,使得水下机器人能够快速精准地跟踪三维参考轨迹。

大长径比远程制导火箭弹自适应Super-twisting控制方法

针对具有轻质薄壳结构的大长径比远程制导火箭弹刚体-弹性体耦合动力学控制难题,提出了一种自适应Super-twisting控制方法。首先,将大长径比远程制导火箭弹的弹性模态与外部干扰项视为归一化扰动,建立了考虑参数、模型不确定性的刚体-弹性体耦合动力学模型。针对外部扰动难以实时精准获取的问题,设计了有限时间收敛干扰观测器,能够在大范围气动参数摄动情形下对远程制导火箭弹外部扰动进行实时精准估计。为提高系统鲁棒性,设计了基于Super-twisting算法的自适应有限时间控制方法,使系统能根据状态误差自动调节控制参数,在削弱高频抖振的同时有效提高抗干扰能力。仿真结果表明:所提控制方法在弹体±15%气动参数摄动的条件下,由平飞状态转变为跟踪幅值为10的正弦弹道倾角指令时,实现3.2 s内弹道倾角跟踪误差收敛至0.002°,可实现远程制导火箭弹姿态平稳跟踪控制弹道倾角指令。

基于变指数干扰观测器的无人机非奇异终端滑模控制

针对四旋翼无人机系统在受干扰下的跟踪问题,以及姿态子系统的扰动问题和滑模控制时出现的抖振缺陷,基于连续快速非奇异终端滑模控制算法,给出一种适用于有扰动姿态子系统的变指数收敛干扰观测器的趋近率滑模控制器。首先,针对传统滑模控制中存在的快速性问题,采用变指数收敛干扰观测器来对扰动进行补偿和预测。然后利用姿态跟踪误差变化率的估计信息,构建快速非奇异终端滑模面。提高轨迹跟踪误差的收敛速度,并利用Lyapunov分析方法验证姿态跟踪误差在有限时间内收敛,仿真结果证实了这一方法的有效性,使用滑模控制和其改进方法设计四旋翼无人机系统控制器。

基于扰动观测器的终端滑模混沌系统控制

研究了一类基于扰动观测器的终端滑模混沌系统控制问题,利用扰动观测器估计了由系统中不确定项组成的混合扰动。通过构建终端滑模面保证了跟踪误差在有限时间内到达原点。运用Lyapunov函数证明了所设计控制方法能够实现误差系统稳定的结论,通过数值仿真证明了方法的有效性。

基于自适应扰动补偿的有限时间滑模负荷频率控制

为解决可再生能源输出功率波动性导致的电力系统频率不稳定问题,提出了一种基于自适应扰动补偿的有限时间滑模负荷频率控制(LFC)策略,使得电力系统面对未知扰动时可以在有限时间内实现频率的快速稳定。首先,针对可再生能源输出功率和负荷不确定导致的扰动上界未知问题,引入了一种自适应滑模扰动观测器,在不需要扰动上界信息的情况下获得扰动估计值,并直接在输入通道实现扰动补偿;然后,将自适应滑模扰动观测器与非奇异终端滑模控制(TSMC)相结合,利用终端滑模的有限时间收敛特性实现频率快速稳定。仿真分析发现,所提出的控制策略在面对风光输出功率波动和系统负荷扰动的情况下能快速维持频率稳定,提高了系统调频性能。

非对称约束下非线性系统的有限时间控制

针对具有非对称输出约束和外界干扰的非线性不确定系统,提出了基于固定时间干扰观测器和非对称障碍函数的有限时间控制策略。首先,采用非对称障碍函数处理系统的输出约束问题,保证输出满足约束条件;其次,通过构造固定时间干扰观测器对外界干扰进行估计,且估计误差在固定时间内收敛到零;再次,基于Lyapunov稳定性理论证明闭环系统在有限时间内有界稳定且输出满足约束条件;最后,通过永磁同步电机的仿真实验验证了所设计的控制策略的有效性。

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.

未知扰动下的无人水面艇有限时间动态预设性能控制

本文提出了一种具有动态预设性能的有限时间控制方案,用于解决具有不确定动态和未知时变海洋环境扰动的无人水面艇(unmanned surface vehicles,USVs)的轨迹跟踪问题。传统预设性能采用静态预设性能函数,当外部扰动较大时,跟踪误差有超出预设性能边界的风险。本文设计一种新型的动态预设性能函数,使得USVs跟踪误差始终保持在预设的边界内;基于齐次积分滑模面、有限时间扩张状态观测器和超螺旋积分滑模控制,提出了一种有限时间控制算法。该算法可以实现跟踪误差快速收敛和有界扰动连续补偿,提高了系统鲁棒性并削弱了滑模抖振现象。理论分析证明了USVs闭环系统的全局有限时间稳定性,仿真及比较结果验证了所设计控制方案的有效性和优越性。

基于模糊神经网络干扰观测器的组合体航天器姿态控制

针对非合作目标存在对抗性力矩输出情况下的组合体航天器姿态控制系统,提出了一种基于模糊神经网络干扰观测器(Fuzzy Neural Network Disturbance Observer,FNNDO)的非奇异终端滑模(Nonsingular Terminal Sliding Mode,NTSM)有限时间控制策略。首先以服务航天器为基准,建立组合体航天器姿态数学模型,然后针对包含惯量不确定性、目标对抗性力矩等的等效干扰力矩,设计了一种具有自适应能力的FNNDO,可以实现对等效干扰的有效跟踪。在FNNDO的基础上,设计NTSM控制器,利用Lyapunov理论证明闭环系统的有限时间稳定性。最后,仿真实验结果表明了控制策略的有效性和观测器在观测性能上的优越性。

基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制

水厂絮凝沉淀过程具有强非线性、不确定性和参数时变等特点,并且原水水质和水量突变等扰动容易对絮凝沉淀过程造成不利影响.本文提出了一种基于有限时间扰动观测器的加矾系统二阶滑模控制设计方法.首先,文章采用带有非光滑项的二阶滑模控制方法设计加矾系统反馈控制;然后,文章设计有限时间扰动观测器对原水水质和水量突变等扰动,以及絮凝沉淀过程强非线性、不确定性和参数时变等导致的模型不匹配进行估计,估计结果作为前馈补偿与反馈控制相结合;最后,理论分析证明了基于有限时间扰动观测器的二阶滑模控制方法的稳定性.仿真结果表明,本文所提出的复合控制方法有效提升了加矾系统的鲁棒性和抗扰动性能.

不相称分数阶Genesio-Tesi系统的有限时间自适应滑模同步

针对含有未知扰动和不确定项的不相称分数阶Genesio-Tesi系统的有限时间同步问题,设计一种新的估计外部未知扰动和不确定项的分数阶有限时间扰动观测器,并构建合适的分数阶滑模面及其相应的自适应滑模控制器,以实现具有不同初始条件的分数阶Genesio-Tesi系统的有限时间自适应滑模同步.MATLAB数值仿真结果表明,所设计的分数阶扰动观测器和自适应滑模控制器是有效且可行的.

临近空间拦截弹的非奇异终端滑模控制

针对临近空间直接力/气动力复合控制拦截弹的抗干扰控制问题,提出了一种基于有限时间干扰观测器(FTDO)的非奇异终端滑模(NTSM)复合跟踪控制策略。首先,设计FTDO估计系统的不匹配干扰;在此基础上,设计基于FTDO的NTSM复合控制律,获取期望的控制力矩。接着,考虑到作为执行机构的气动舵和反作用喷气装置存在冗余性,进一步提出了一种动态控制分配算法实现期望控制指令到执行机构的分配,获得良好的控制分配精度和较小的执行机构能耗。最后,仿真结果验证了所设计复合控制系统的有效性。