Robust immersion and invariance adaptive coordinated control for a class of biaxial gantry systems

This paper proposes a robust Immersion and Invariance(I&I)adaptive coordinated controller for a class of uncertain linear-motor-driven biaxial gantry system subject to external disturbances for high-accuracy contour tracking.Firstly,the dynamic model of the gantry system is transformed into task coordinate frame,through which the contour tracking can be regarded as a regulation problem.Based on the transformed system dynamics,an I&I-based adaptation law with smooth projection is proposed to estimate the unknown parameters.Different from traditional adaptive control,the proposed robust I&I adaptive control introduces a new term called tuning function in adaptation law to shape the dynamic behaviour of the estimation vector.Then the stability of the closed-loop system is proved by Lyapunov theory.Finally,comparative experiments are executed on an industrial biaxial gantry system with two different cases to verify the effectiveness of the proposed control law.

基于浸入与不变原理的水轮机调节系统簇发振荡控制

针对水轮机调节系统簇发振荡的抑制问题,提出一种基于浸入与不变(immersion and invariance, I&I)原理的自适应反步滑模控制策略。首先,建立两时间尺度下的水轮机调节系统动力学模型,并分析系统的簇发振荡行为;其次,结合反步理论和基于趋近律的滑模原理设计控制器,同时,对水轮机调节系统在运行过程受到的外部扰动,引入I&I理论对扰动估计误差建立流形,通过自适应律的选取保持其吸引与不变,并采用Lyapunov稳定性理论对所提控制方法进行收敛性证明;最后,对上述控制策略进行仿真验证。结果表明,该方法能有效抑制系统的簇发振荡现象,且具有较好的扰动跟踪精度。

基于浸入与不变自适应的机械臂轨迹跟踪控制方法

针对双关节机械臂在运动过程中因系统不稳定所产生的跟踪精度较低问题,设计了基于浸入与不变(Immersion and Invariance,I&I)的机械臂运动轨迹自适应控制系统,采用I&I自适应控制方法作为惯性矩阵设计参数估计器。为了解决设计过程中偏微分方程求解困难,选用状态滤波器求出其近似解。通过引用动态缩放因子消除近似解和真实解之间的误差。将I&I自适应参数估计器与反步控制器相结合,使其对不确定参数具有自适应特征。仿真结果表明,本方案对机器人机械臂运行轨迹的控制精度有显著提高,具有一定的应用价值。

浸入与不变方法原理及其在非线性自适应控制中的应用

非线性系统理论的实际工程需求和复杂性使其成为控制学科中最具吸引力和挑战性的研究领域,为此介绍了一种新的非线性控制律设计方法——浸入与不变(I&I)理论.该方法首先选择一个比被控系统维数低的(局部)渐近稳定的目标系统,然后设计浸入映射和控制律,使得原系统在控制律作用下的动态轨迹都是目标系统在浸入映射下的像,并且该控制律能够保持目标系统的像为不变吸引流形,且使闭环轨迹有界.针对未知点质量模型,设计了一种新的非线性浸入与不变自适应控制律,实现了对参考指令的精确跟踪.将其与基于确定等价原则的自适应控制律相比较,仿真结果表明,所设计的浸入与不变控制律能够更好地处理带有未知参数的系统.

发电机励磁与SVC的改进自适应反步无源协调控制

考虑了阻尼系数的不确定性,提出了一种改进自适应反步无源协调控制策略,设计了发电机励磁与静止无功补偿器(SVC)的非线性协调控制器。采用浸入与不变(I&I)自适应控制设计了阻尼系数的自适应估计律,提高了控制器的自适应能力。基于反步法逐步递推,设计了SVC的控制律,并结合无源性理论,得到了发电机励磁的控制律。在反步法设计过程中,为了减小"微分爆炸",将虚拟控制量的导数看作不确定项,并引入非线性阻尼算法对其进行处理。仿真结果表明,所设计的协调控制器明显地改善了电力系统的稳定性,并且具备较强的自适应性和鲁棒性。

基于浸入与不变的气动弹性系统反演滑模控制

针对外部扰动不确定的机翼气动弹性颤振问题,提出一种基于系统浸入与流形不变的自适应反演滑模控制方法。首先建立了带双控面和不确定外部扰动的气动弹性系统模型。然后结合反演和滑模控制理论设计了自适应Super-twisting反演滑模控制器,其中自适应扰动估计的设计采用浸入与不变方法,在系统整体自适应律中加入额外补偿项并建立扰动估计误差流形,通过自适应律的设计来保证误差流形的不变及吸引,从而保证扰动估计误差的收敛。最后对设计的控制系统进行了Lyapunov稳定性证明和仿真。结果表明,利用该方法设计的控制器外部扰动估计准确,翼段浮沉位移和俯仰角的控制优于传统的自适应滑模控制,气动弹性系统的稳定性和自适应性有所提高。

基于系统侵入与不变流行的非线性系统自适应控制

考虑了一类具有非参数不确定非线性系统的自适应控制问题,基于系统侵入与不变流行概念,选用含有系统状态的参数误差表达式,应用非线性阻尼方法,处理参数估计误差中的不确定项,确保参数估计对外界干扰的鲁棒性。应用滑模积分反推法,确定了系统的控制率,证明了在该控制律的作用下系统平衡点全局渐近稳定。该方法设计过程简单,参数估计误差具有良好的动态性能,而且避免了积分反推法无自适应调节时出现的系统不稳定问题。仿真结果表明,所设计的控制器对非参数不确定性具有很强的稳定性和鲁棒性。

基于浸入与不变理论的交流异步电机自适应位置跟踪控制

为了提高交流异步电机在参数摄动和负载扰动下的位置跟踪控制性能,该文提出一种基于浸入与不变(I&I)理论的自适应控制方法。首先,通过构造非线性扩张状态观测器(NLESO)对系统的负载扰动进行动态观测,提高系统的跟踪控制精度;其次,基于I&I理论对系统的摄动参数设计自适应估计器,实现参数估计值渐近收敛到真实值;再次,基于I&I理论分别完成交流异步电机位置和磁链跟踪控制器的设计,实现对系统给定值的精确跟踪控制;最后,将该文所提方法与动态面控制(DSC)方法和I&I控制方法进行仿真及实验对比研究,结果验证了该文所提方法的有效性和可行性。

侵入和不变流型的坦克炮控伺服系统研究

针对坦克炮控系统未知齿隙及摩擦,设计了基于性能的新型控制器。提出了基于侵入和不变流型(I&I)的未知参数估计率的构造方法,使调节函数的选取及I&I估计率的设计变得直接简便。由于未知齿隙及摩擦被充分的描述成有界扰动与非线性动态项的组合,从而避免了将其简单的考虑成"总扰动"所造成的被控系统性能的损失。该控制器可有效抑制负载扰动及参数变化所带来的影响.同时通过快速准确的估计系统参数实现了对指令信号快速精确的跟踪。

Markov跳变系统的稳定自适应控制研究

研究一类据有严参数反馈的Markov跳变系统的自适应稳定控制问题,传统的参数估计是基于某种等价原理得到,估计形式单一,收敛速度较慢,且很难保证参数收敛时系统收敛。应用参数估计与控制器设计分离的方法,先应用微分几何中的流形浸入与不变的概念,得到一种新的参数估计表示式,再应用积分反推方法设计了Markov跳跃非线性系统的控制率,证明了在该控制律的作用下系统平衡点依概率全局渐近稳定。该方法解决了传统参数估计存在的问题,系统的动态性能可通过参数收敛的快慢来调节。仿真实验结果表明了该方法的有效性。

发电机的浸入与不变自适应反步鲁棒励磁控制器

针对含有不确定参数的发电机励磁控制系统,设计了一种新型的自适应反步鲁棒励磁控制器。在设计过程中,基于反步法逐步进行控制器的设计,并引入非线性阻尼算法来减小反步法的"计算膨胀"问题,有效地增强了控制器的鲁棒性。接着介绍了应用浸入与不变自适应控制设计阻尼系数的自适应估计律。通过MATLAB软件进行仿真研究,验证了该算法的有效性和优越性。

基于I&I理论的可逆冷带轧机速度张力系统自适应分散控制

针对具有多变量、非线性、强耦合和不确定特性的可逆冷带轧机速度张力系统,提出了一种基于浸入与不变(immersion and invariance,I&I)理论的自适应分散控制方法。首先,通过构造滑模观测器(sliding mode observer,SMO)对系统的非匹配不确定项进行观测估计,削弱了其对系统性能的影响;其次,基于I&I理论完成了系统摄动参数估计器的设计,且参数估计误差能以指数规律的形式单调收敛;再次,基于I&I理论完成可逆冷带轧机速度张力系统分散控制器的设计,实现了对系统给定值的精确跟踪控制;最后,基于某1422 mm可逆冷带轧机的实际数据进行了仿真对比研究,仿真结果验证了本文所提方法的有效性。

基于浸入与不变原理的电力系统混沌振荡分析与控制

针对电力系统中普遍存在的参数变化引起系统混沌振荡导致系统不稳定问题,提出了一种基于浸入与不变(immersion and invariance,I&I)原理的自适应反演滑模控制(adaptive backstepping sliding mode control, ABSMC)算法,以提高电力系统运行稳定性。首先,利用电力系统非线性模型,分析无功功率的变化对系统动力学行为的影响。其次,融入Ⅰ&Ⅰ原理,对系统中存在的未知非线性项和外部扰动进行补偿,设计扰动估计自适应律,利用反演原理设计控制器,并通过Lyapunov稳定性理论对所提出的控制方法进行收敛性证明。最后,对系统进行数值仿真试验,结果表明,所提方法可有效辨识出系统的动态扰动,使系统所有状态变量迅速收敛,提高了系统的响应速度。

基于浸入不变流形的飞轮储能系统母线电压自适应非线性控制器

考虑到飞轮储能系统中母线电压非线性和频繁快速放电的特性,以提高其动态控制性能为目标,基于浸入不变流形(immersion and invariance manifold,I&IM)原理设计母线电压I&IM自适应非线性控制器,并通过李雅普诺夫理论分析控制算法的稳定性以及参数误差对闭环系统稳态特性和暂态特性的影响,证明了闭环系统在平衡点处满足全局一致渐近稳定的条件。最终通过仿真和实验对I&IM自适应非线性控制器的性能进行研究。结果表明,I&IM自适应非线性控制算法具有良好的稳定性,并能在不同转速内和不同负载下保持母线电压恒定。

一类非线性参数化系统的自适应鲁棒控制

针对一类含有非线性参数化不确定项的非线性系统,本文提出了一种基于浸入和不变流形的自适应鲁棒控制器.由于浸入和不变流形方法将调节函数引入到参数估计律的设计中,增加了控制器设计自由度,保证对系统中未知参数的渐近估计,使得设计出的自适应鲁棒控制器在克服非线性参数化不确定项和外界扰动影响的同时,保证了良好的动态和稳态性能.最后通过仿真实例验证了所提算法的有效性.

基于浸入与流形不变的制导炮弹非线性自适应控制

针对制导炮弹非线性模型且带有不确定气动参数的情况,研究采用反步法与I&I方法相结合的方式来设计控制器。首先建立了参数估计误差流形,再通过控制器输入及参数适应率确保该流形不变且吸引,让参数估计误差在这一流形上趋向于0,采用该方法设计的参数估计器不必遵循确定性——等价性原理,最后由Lyapunov稳定性理论验证了炮弹闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明,基于该方法设计的控制器在部分气动系数不确定的情况下仍能精确跟踪攻角。

多机电力系统TCSC新型自适应backstepping鲁棒控制

将含TCSC(Thyristor Controlled Series Compensation)的多机电力系统等值为两机系统,在考虑参数不确定性和外部干扰的情况下,基于backstepping方法,结合浸入和不变(I&I)自适应控制、自适应滑模控制以及L2干扰抑制理论,设计了一种新型的非线性自适应鲁棒TCSC控制器。该TCSC控制器不仅对不确定参数具有较强的自适应能力,而且可以有效地抑制外部干扰对系统的影响。另外,把虚拟控制量的导数看作不确定项,应用滑模项补偿其不确定性,来避免backstepping方法中存在的"系数膨胀"问题。仿真结果表明,所设计的TCSC控制器具有较强的鲁棒性和自适应性,可以保证区域互联电力系统的静态和暂态稳定性。

小型无人直升机浸入–不变集自适应控制

本文基于浸入–不变集理论,针对小型无人直升机存在的参数不确定性问题,设计一种新型的自适应控制器.利用基于Lyapunov的分析方法和La Salle不变性原理,进行闭环系统的稳定性分析,确保无人直升机姿态角的跟踪误差全局渐进收敛,以及闭环系统的稳定性.在无人直升机姿态飞行控制实验平台上,进行了无人机姿态跟踪控制实验.实验结果表明,本文所提出的控制方法具有良好的跟踪控制效果.

基于浸入-不变集的三旋翼无人机高度系统自适应控制器设计

针对三旋翼无人机的研究集中于数学模型分析、简单的控制算法设计等起步阶段,且高度系统空气阻尼系数未知的情况,研究了三旋翼无人机高度系统的控制问题;基于浸入-不变集方法设计了一种控制三旋翼无人机跟踪目标高度的自适应控制器,根据三旋翼无人机飞行运动特点,推导了三旋翼无人机运动数学模型,完成了控制器参数设计和气动参数选择,采用Lyapunov分析方法对所设计控制器的渐近稳定性进行了理论证明,并对未知空气阻尼系数进行了在线估计,最终在三旋翼无人机实验平台上在环仿真实验验证;实验结果表明,高度跟踪误差在0~6s,可较好地趋于收敛,控制阻尼系数估计值也较好地收敛于合理的范围,表明该算法稳态误差小,收敛速度快,具有较好的控制性能和较强的实用性。

基于滤波器的浸入与不变自适应控制

针对机电伺服系统存在参数不确定、未建模动态及时变扰动这一问题,提出一种基于滤波器的浸入与不变自适应算法,该算法能够准确估计伺服系统中的未知参数.首先,构造系统状态及回归函数的滤波器,再根据滤波后的辅助变量构造参数估计器;然后,依据浸入与不变理论设计参数估计器中的辅助函数,从而保证参数估计误差的收敛性.此外,为了进一步降低集总扰动对系统闭环性能的影响,提出一种扰动观测器,这种扰动观测器结构简单,并且能保证估计误差的渐近稳定,从而有效地补偿系统中的未建模动态和外部扰动.最后,利用Lyapunov理论分别证明了参数估计器、扰动观测器及闭环系统的稳定性,仿真与实验结果验证了所提出的自适应方法及扰动观测器的有效性.