Flight control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle based on quasi-continuous high-order sliding mode

The focus of this paper is on control design and simulation for the longitudinal model of a flexible air-breathing hypersonic vehicle（FAHV）.The model of interest includes flexibility effects and intricate couplings between the engine dynamics and flight dynamics.To overcome the analytical intractability of this model,a nominal control-oriented model is constructed for the purpose of feedback control design in the first place.Secondly,the multi-input multi-output（MIMO） quasi-continuous high-order sliding mode（HOSM） controller is proposed to track step changes in velocity and altitude,which is based on full state feedback.The simulation results are presented to verify the effectiveness of the proposed control strategy.

High-order sliding mode attitude controller design for reentry flight

A novel high-order sliding mode control strategy is proposed for the attitude control problem of reentry vehicles in the presence of parametric uncertainties and external disturbances, which results in the robust and accurate tracking of the aerodynamic angle commands with the finite time convergence. The proposed control strategy is developed on the basis of integral sliding mode philosophy, which combines conventional sliding mode control and a linear quadratic regulator over a finite time interval with a free-final-state and allows the finite-time establishment of a high-order sliding mode. Firstly, a second-order sliding mode attitude controller is designed in the proposed high-order siding mode control framework. Then, to address the control chattering problem, a virtual control is introduced in the control design and hence a third-order sliding mode attitude controller is developed, leading to the chattering reduction as well as the control accuracy improvement. Finally, simulation examples are given to illustrate the effectiveness of the theoretical results.

Higher Order Sliding Mode Control of Uncertain Robot Manipulators

This paper proposes a higher order sliding mode controller for uncertain robot manipulators. The motivation for using high order sliding mode mainly relies on its appreciable features, such as high precision and elimination of chattering in addition to assure the same performance of conventional sliding mode like robustness. Instead of a regular control input, the derivative of the control input is used in the proposed control law. The discontinuity in the controller is made to act on the time derivative of the control input. The actual control signal obtained by integrating the derivative control signal is smooth and chattering free. The stability and the robustness of the proposed controller can be easily verified by using the classical Lyapunov criterion. The proposed controller is tested to a three-degree-of-freedom robot to prove its effectiveness.

Sliding-mode observers for systems with unknown inputs and measurement disturbances

The method to design sliding-mode observers for systems with unknown inputs and measurement disturbances is presented in the paper. An augmented system is constructed by viewing the measurement disturbances as unknow inputs. For such an augmented system, the so-called observer matching condition is not satisfied. Based on the construction of auxiliary outputs, the observer matching condition may be satisfied. High-order sliding-mode differentiators are developed to obtain the estimates of those unmeasurable variables contained in the auxiliary output vector. Employing the estimate of auxiliary output vector, a sliding-mode observer is designed. The simulation results to a real model show that the proposed method is effective.

基于Quasi-continuous高阶滑模理论的高超声速飞行器控制

针对高度非线性、强耦合、参数不确定性的高超声速飞行器数学模型,首先应用精确线性化将其非线性的数学模型转化成符合控制设计要求的等效线性模型,然后引入了Quasi-continuous高阶滑模控制理论,同时采用鲁棒精确微分器来克服测量的困难。模拟结果表明所设计的控制器对参数不确定性具有很好的鲁棒性,而且达到了期望的性能指标。

Full-Order Sliding Mode Control for High-Order Nonlinear System Based on Extended State Observer

In this paper, a full-order sliding mode control based on extended state observer(FSMC+ESO) is proposed for high-order nonlinear system with unknown system states and uncertainties.The extended state observer(ESO) is employed to estimate both the unknown system states and uncertainties so that the restriction that the system states should be completely measurable is relaxed,and a full-order sliding mode controller is designed based on the ESO estimation to overcome the chattering problem existing in ordinary reduced-order sliding mode control. Simulation results show that the proposed method facilitates the practical application with respect to good tracking performance and chattering elimination.

IPMSM全速域无位置传感器控制策略

为了实现内置式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器系统全速域运行,提出一种改进型IPMSM复合控制策略。首先,在零低速域选用高频旋转电压注入法实现对电机转速和转子位置的估计;其次,在中高速域,为了削弱传统滑模观测器中开关函数造成的系统抖振问题,构造新型超螺旋滑模观测器,提高系统的观测精度;最后,引入差分进化算法优化过渡速域权重系数,实现不同观测方法间的合理切换,完成全速域下转子位置和转速的高精度辨识。研究结果表明,所提算法能够实现电机全速域运行,且具有良好的动态性能。

一种用于电液位置伺服系统控制的高阶滑模控制器的设计

这里提出了一种用于电液位置伺服系统控制的高阶滑模控制器的设计,以提高电液位置伺服系统的控制准确度。从电液伺服系统的构造出发,分析了其组成结果与工作过程。以外界输入电压为依据,求取了滑阀的动力学模型,通过液压缸两个子缸压力差值形成的负载压力,计算出了滑阀动态运动时产生的流量,并通过负载压力得出了负载的位移平衡方程,进而以滑阀位移、负载位移及输入电压等系统的状态参数,获取了电液伺服系统的动力学模型。引入超螺旋控制器和广义超螺旋控制器的一般表达形式,以输入电压误差及负载位移误差为依据,构造了系统的滑动面函数,并将滑动面函数的导师与超螺旋控制器相结合,构造了基于超螺旋控制器的滑模控制器,为了提高系统的收敛速度,在基于超螺旋控制器的滑模控制器的基础上,借助广义超螺旋控制器,构造了高阶滑模控制器,以对电液位置伺服系统进行控制。实验结果表明,所提算法不仅具有较好的响应速度,而且对电液位置伺服系统的控制准确度较高,在对目标轨迹跟踪时,所提方法比模糊干扰观测器方法的跟踪准确度提高了33.11%。说明所提方法对电液位置伺服系统具有较好的控制性能。

永磁同步电机无模型自适应滑模补偿预测控制

针对在永磁同步电机矢量控制系统中应用模型预测控制方法设计控制器时依赖电机数学模型参数,当电机运行过程中参数变化时,引起控制器参数与电机参数失配,导致系统控制性能降低。提出一种无模型自适应预测控制方法,利用系统输入输出数据和时变的伪偏导数建立预测模型;又由于无模型自适应预测控制方法没有反馈校正环节,易受外部扰动的影响,设计一种新型高阶滑模补偿器作为校正部分,以提高控制系统的鲁棒性且抑制滑模自身的抖振,最后MATLAB仿真验证了无模型自适应高阶滑模补偿预测控制方法的优越性。

基于改进滑模观测器的四旋翼无人机轨迹控制

针对四旋翼无人机在不确定干扰下的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于改进滑模观测器的超螺旋控制策略。首先,对传统滑模观测器进行改进并提出快速三阶滑模观测器,该观测器对系统状态和未知干扰的估计更为准确和迅速;然后,在所提观测器的基础上,结合超螺旋理论和非奇异终端滑模理论,设计基于快速三阶滑模观测器的非奇异超螺旋终端滑模控制器,实现对轨迹的跟踪控制,并基于Lyapunov理论证明了控制器的稳定性;最后,通过仿真实验结果对比证明所提策略的响应速度更快、精度更高。

基于改进双滑模的永磁同步电机无位置传感器控制策略

针对永磁同步电机速度环传统PI控制存在动态响应差、超调量大以及传统滑模观测器观测精度低、抖振严重等问题,设计一种基于改进双滑模算法的无位置传感器控制策略。提出一种新型变指数趋近律,在此基础上结合微分积分滑模理论和新型切换函数设计滑模速度控制器代替传统PI控制器。引入扩张状态观测器补偿控制器未知扰动,实现速度环抗扰动复合滑模控制。基于Super-Twisting算法设计高阶滑模观测器并使用正交锁相环提取速度和位置信息。仿真结果表明,所设计的改进双滑模控制策略能够有效地提高系统的动态控制性能,提升观测精度,同时具有更好的抗扰动能力。

基于改进型滑模的永磁同步电机控制

为了解决永磁同步电机传统滑模观测器确定转子位置时产生的抖振和控制系统抗干扰能力较弱的问题,本文提出了一种新的控制策略。该策略采用定子电流和反电动势作为控制变量,并引入具有鲁棒性强,跟踪性能好的高阶滑模变结构观测器,以替代传统的滑模观测器,从而提高系统的抗干扰能力。同时,该策略还使用饱和函数作为切换函数,以削弱抖振现象。此外,引入改进型锁相环来代替反正切函数,用于求解转子位置和转速,避免微分求解时引入噪音信号并减少滤波器导致的相位延迟问题。对于速度环控制,本文采用混合终端非奇异滑模控制器代替传统的PI控制器,以改善系统的动态性能。通过仿真验证,结果表明所提出的策略的正确性和有效性。

基于扩张状态观测器的PMLSM高阶自适应非奇异快速终端滑模控制

为改善永磁直线同步电机控制系统的位置跟踪精度和鲁棒性,提出了一种基于扩张状态观测的高阶自适应非奇异快速终端滑模控制方案。首先,设计了一种高阶非奇异快速终端滑模面,通过引入反馈电流实现对电机位置、速度和电流的整体控制。其次,设计新型滑模趋近律,使控制系统能快速将误差趋近于零并削弱抖振。同时,引入自适应律估计并实时调整趋近律系数。最后,设计了扩张状态观测观测外部扰动,从而提高位置跟踪系统的动态和稳态性能。基于Lyapunov稳定性理论,证明了该控制系统的稳定性。通过仿真与实验验证,结果表明,提出的控制方法能有效提高系统的位置跟踪精度,并且增强了系统的抗干扰能力。

单连杆柔性关节机械臂的高阶滑模控制器设计

针对单连杆柔性关节机械臂系统,提出了一种基于高阶滑模算法的有限时间镇定控制方法。所提出的方法涉及两个关键方面。首先,通过引入加幂积分器,设计了一个新的李雅普诺夫函数,使得输出信号在有限时间内收敛。其次,利用符号函数抑制了系统不确定性造成的抖振现象。基于有限时间李雅普诺夫稳定性理论,证明了该算法能够保证滑动变量在有限时间内收敛到原点。最后,单连杆柔性关节机械臂的仿真结果验证了高阶滑模控制算法的有效性。

基于DASOGI-QPLL改进高阶滑模观测器的IPMSM无传感器控制

针对永磁同步电机在传统无传感器滑模控制系统中存在的抖振、相位延迟和鲁棒性差等问题,设计了一种双自适应二阶广义积分器和归一化锁相环(dual adaptive second order generalized integrator and quadrature phase locked loop,DASOGI-QPLL)的改进高阶滑模观测器的控制方法。首先,双广义二阶积分器的锁相环结构,作为一种闭环PLL方案能够在电网电压不平衡、产生畸变、频率跳动等场合准确获取正、负分量的相位、频率和幅度值信息,将其利用在滑模控制当中,能有效滤除其滑模面产生的高频脉振,并能有效抑制电机波动时的电流(电压)波形畸变;其次,对传统高阶滑模观测器引入基于转子转速的自适应高阶滑模增益;最后,采用归一化正交锁相环对电机的转速和转子位置进行估计。仿真结果表明,所设计的DASOGI-QPLL能很好地解决这一问题,在对滑模面高频脉振进行滤波的同时能够快速准确跟踪到电流(电压)波形的幅值和相位,提高了电机的控制精度和运行的动态性能。

基于滑模控制的轨道式无线电能传输系统设计

为解决轨道式无线电能传输(WPT)系统动态稳定性较差且效率不高的问题,借助Maxwell仿真软件,分别搭建传统E型和C型铁氧体绕制的接收线圈模型,对比分析发现后者传输效率比前者高5%。通过对基于LCC-S的高阶补偿电路建模分析,利用Matlab绘图找出系统传输效率最优参数。为解决接收端在移动时耦合系数变化造成电压不稳定的问题,提出一种无抖动滑模控制算法,并在Matlab/Simulink分别搭建基于PI控制和滑模控制模型,仿真分析得出滑模控制在耦合系数变化较大时稳压效果优于PI控制,最后搭建WPT系统样机并进行实验。结果表明:当接发线圈相对距离在一定范围内变化时,电压能维持在预设值,并且传输效率不低于81%,进一步验证了本文算法的有效性及可行性。

基于复合连续终端滑模控制的永磁同步电机位置伺服系统

为了提高永磁同步电机(PMSM)位置伺服系统的动态响应和抗负载扰动能力,提出一种基于高阶滑模观测器(HOSMO)的复合连续终端滑模控制(CTSMC)策略。首先,建立一个针对速度状态和集总不确定性估计的HOSMO。其次,通过引入状态和干扰估计信息构造基于积分器的终端滑模面,使系统能够精确跟踪期望轨迹。最后,通过综合趋近律和扰动前馈补偿技术,得到复合滑模控制(SMC)器。实验结果表明:所提出的控制策略能够有效地提高PMSM伺服系统的跟踪和定位性能,并且具有良好的鲁棒性和抗扰能力,能够在实际应用中取得良好的控制效果。

基于扩张状态模型高阶滑模观测器的SPMSM无传感器控制

针对滑模观测器(SMO)在表贴式永磁同步电机(SPMSM)无传感器控制中存在固有抖振和不能有限时间收敛的问题,提出了高阶超螺旋非奇异快速终端滑模观测器(HOSTNFTSMO)。基于PMSM扩张状态模型提出了一种高阶超螺旋观测器(HOSTO)来实现抖振抑制。针对终端滑模面存在微分项会引入噪声的问题,设计了一个新的非奇异快速终端滑模面(NFTSMS),以实现状态变量的有限时间收敛。仿真结果表明,与传统SMO相比,研究的HOSTNFTSMO可以在不牺牲SMO鲁棒性的情况下获得较高的转子位置估计精度。

基于神经网络的机械臂高阶滑模控制

针对多关节机械臂控制系统的设计中机械臂模型参数未知和外在干扰的抖振问题,提出一种基于神经网络的机械臂高阶滑模控制,并在快速终端滑模面的基础上,利用饱和函数解决了奇异问题,采用径向基神经网络(RBFNN)近似估计系统参数,增加了误差估计器补偿估计误差和外部干扰。同时,设计了一种具有适当更新律的自适应有限时间控制律。实验表明:该控制方法在机械臂轨迹跟踪表现更优,具有可行性和优越性。

不确定非线性系统的自适应反演终端滑模控制

针对一类参数严格反馈型不确定非线性系统,本文提出一种自适应反演终端滑模控制方法.反演控制的前n?1步结合自适应律估计系统的未知参数,第n步采用非奇异终端滑模,使系统最后一个状态有限时间内收敛.利用微分估计器获得误差系统状态的导数,并设计了高阶滑模控制律,去除控制抖振,使系统对于匹配和非匹配不确定性均具有鲁棒性.同自适应反演线性滑模方法相比,所提方法提高了系统的收敛速度和稳态跟踪精度,并且控制信号更加平滑.仿真结果验证了该方法的有效性。