跷跷板系统干扰补偿的分层滑模控制策略研究

为提高跷跷板系统在外部干扰下的平衡控制性能,提出一种基于指数收敛干扰观测器与切换增益模糊自适应分层滑模控制相结合的复合控制策略。首先,设计一种指数收敛干扰观测器,对系统受到的外部扰动等不确定因素进行估计补偿,以改善控制器鲁棒性。该观测器不需要状态变量二阶导的信息,可以应对实际工程中难以通过求导的方式获取加速度信号的问题。然后,针对跷跷板这类强耦合欠驱动系统提出一种分层滑模控制算法,并进一步针对滑模控制算法在未知大干扰下切换增益过大的问题,通过模糊规则的设计将切换增益模糊化,以降低系统抖振。最后,仿真和试验结果表明,相较于传统的滑模控制算法,该分层滑模控制算法抗干扰能力更强、切换增益更低。该策略可应用于类跷跷板平衡控制的实际系统。

基于扩张状态观测器的双摆吊车分层滑模控制

吊车系统在大尺寸货物运送过程中会呈现出双摆效应,同时更易受到外部干扰影响,导致控制难度更大。针对双摆吊车系统控制难题,提出一种基于扩张状态观测器的分层滑模控制方法,在保证负载快速平稳运送的同时有效抑制吊钩和负载的摆动。基于吊车系统的动力学模型设计扩张状态观测器对系统的状态变量和干扰集合项进行估计,利用系统的状态误差和观测器的估计信号设计分层滑模控制器。此外,控制方法通过在滑模面中引入干扰补偿项,进一步提高系统的抗干扰能力。通过数值仿真,与已有方法进行对比,充分验证该研究方法在工作效率和鲁棒性方面均具有良好的控制性能。

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。

基于幂次函数的自平衡双轮电动车分层滑模控制

针对倒立摆原理的自平衡系统,提出一种基于幂次函数法的分层滑模变结构控制方法。为解决滑模控制在本质上的不连续开关特性而引起系统抖振的问题,采用了在切换函数中运用幂次函数的非线性特性来设计非线性控制器,同时与传统的分层滑模控制方法进行了仿真对比。仿真结果表明了该方法的有效性,并且控制器超调量小,很好地抑制了抖振现象,被控系统表现出了良好的动态品质。

具有性能约束的欠驱动系统分层滑模控制

针对具有性能约束的二阶欠驱动系统的跟踪控制问题,提出了自适应鲁棒滑模控制策略。首先,利用约束转化方程将带有状态性能约束的系统转化成无约束系统,通过引入预设性能方程可以同时保证系统的动态性能和稳态性能满足预设目标;然后,针对转化后的无约束系统设计了自适应分层滑模控制策略,并通过Lyapunov方法严格地证明了控制系统的稳定性并获得了自适应律;最后,通过小车倒立摆对比仿真实验证明了控制器的有效性和优越性。

基于反步法和分层滑模控制的轮式移动机器人轨迹跟踪

结合了反步法和分层滑模控制方案提出了一种轮式移动机器人轨迹跟踪控制算法。首先,针对一类轮式移动机器人系统将其分解成两个子系统,分别设计子系统的控制率。针对第一个子系统,利用分反步法通过构造Lyapunov函数设计系统的控制率。针对第二个子系统,将其进一步分解为两个子系统,利用分层滑模技术设计出最终的控制器。基于反步法和分层滑模控制方案设计的系统控制器,不仅可以保证了闭环系统是渐进稳定的且系统的跟踪误差能够收敛到任意小的邻域内。最后通过一个数值模拟结果表明了所提出控制方法的有效性。

基于自适应分层滑模的塔式起重机防摆与定位控制

针对三维空间中呈现二级摆结构的塔式起重机的防摆与定位控制问题,考虑变幅回转联合运行工况,提出了一种自适应分层滑模控制方案。首先将塔式起重机系统分为定位子系统、一级摆角子系统和二级摆角子系统,设计了分层滑模控制律;然后设计了自适应律,提高了系统对参数的适应性和对外在干扰的抑制性能;最后验证了系统的稳定性并对系统进行了仿真。仿真结果表明,系统在受到瞬时扰动时,自适应律可估算出扰动大小,控制器能快速做出反应,调整控制力/力矩以抵消瞬时扰动,使瞬时扰动不对系统的位置以及吊钩和负载的摆角造成明显影响。该文自适应分层滑模控制器能在一定程度上抑制瞬时扰动造成的吊钩和负载的摆动,具有较好的鲁棒性。

桥式起重机分布式质量吊重系统双摆滑模控制

随着吊装作业的多元化发展,起重机吊装对象也从传统的质点式吊重向分布式质量吊重方向发展。针对桥式起重机在吊装分布式质量吊重时吊重的大摆角抑制和小车定位控制问题,提出了两种基于滑模控制理论的、用于吊重消摆和小车快速定位的方法。首先,综合考虑了桥式起重机吊装对象的结构特征、小车电机的驱动特性、摩擦阻力以及环境中的随机扰动对吊装作业的影响,建立了桥式起重机分布式质量吊重系统的非线性双摆动力学模型;然后,设计了桥式起重机分布式质量吊重系统的非线性双摆动力学普通滑模控制器(OSMC)和分层滑模控制器(HSMC),采用Lyapunov函数和Barbalat引理证明了闭环系统的稳定性;最后,利用数值仿真研究了OSMC和HSMC在分布式质量吊重减摆控制方面的性能差异。仿真及研究结果表明:与OSMC相比,采用HSMC不仅可以在12 s内实现小车精确定位目的,而且可以实现对分布式质量吊重在5°~9°摆动范围下的快速抑制目的,完成了对系统状态变量的有效控制;同时,对比结果表明HSMC对起重机系统内部和外部扰动变化有很强的鲁棒性和抗干扰性。

基于分层滑模方法的两轮载人自平衡车的运动控制

文章采用分层滑模控制方法设计了非线性运动控制器,采用各状态变量代替各误差项,给出了滑模面和控制律的设计方法。在切换函数中利用幂次函数的非线性特性来降低抖振。仿真结果表明,该控制器超调量小,且很好地抑制了抖振现象,说明此控制方法有效。

三维桥式起重机分层滑模轨迹跟踪防摆控制

针对欠驱动四自由度三维桥式起重机的吊重摆动控制问题,设计了一种分层滑模轨迹跟踪防摆控制器。首先为大、小车和吊重分别选择了一条目标轨迹,然后设计分层滑模控制器来使系统状态跟踪选定的轨迹,在理论上证明了控制系统的渐进稳定性,并进行了仿真验证。仿真结果表明,大小车可快速准确地到达目标位置,且吊重摆角被抑制在很小的范围内,能快速收敛到零。当吊重质量变化、吊绳长度变化或有大的初始摆角时,所设计的控制器仍具良好的控制性能和较强的鲁棒性。

基于分层滑模方法的欠驱动3D刚体摆姿态控制

以3D刚体摆为研究对象,将地球静止轨道(GEO)航天器简化成3D刚体摆,此模型由一刚体绕一个固定且无摩擦的支点旋转且有3个转动自由度,刚体受恒重力(或万有引力)作用。利用滑模结构方法设计了分层滑模控制器,并用Lyapunov稳定性理论、Filippov等效定理与Barbalat引理以及推论,详细证明了该控制律的全局渐近稳定性。仿真实验结果表明,该方法能够有效地实现3D刚体摆悬垂和倒立平衡位置处的姿态渐进稳定性控制。

两轮自平衡车的自适应模糊滑模控制

针对两轮自平衡车的平衡控制问题,文章提出一种自适应模糊滑模控制方法。将整个平衡控制系统分为摆角子系统和位移子系统;利用分层滑模控制策略推导出系统总的控制律;针对控制律中存在的系统不确定部分,利用模糊逻辑的万能逼近功能进行估计,并基于Lyapunov方法设计相应的自适应律;考虑到线性滑模面斜率对于系统性能的影响,采用模糊控制方法对其进行调节,进一步改善了控制系统的品质。仿真结果验证了该控制方法的有效性,而且优化后的控制器具有较好的控制效果和鲁棒性。

塔式起重机的分数阶滑模定位和防摆控制

针对塔式起重机防摆控制系统,考虑塔机的回转运动和变幅运动,提出了分层分数阶滑模定位和防摆控制新方法。把塔式起重机防摆控制系统分为小车位移控制系统和负载摆角控制系统两个子系统,采用两层分数阶滑模面,分别设计分数阶滑模控制器控制臂架小车的位移、起重臂的回转角及负载的摆角。与传统的整数阶滑模控制方法相比,加快了系统的响应速度,增强了系统的鲁棒性,改善了系统的控制性能,有效保证臂架小车精确定位和负载的消摆。仿真结果也表明分数阶滑模控制是提高此系统控制性能的一种更有效的方法。

基于改进非线性趋近律的桥式起重机滑模控制

针对二维定绳长欠驱动桥式起重机系统的定位与防摆问题,提出了一种基于趋近律的滑模控制方法。通过采用分层滑模控制,对起重机的两个子系统分别设计滑模面,并求取等效控制量;之后组合成第二级滑模面,将非线性趋近律引入控制系统并求取切换控制量,最终得到系统控制输入量。通过仿真实验研究,证明了设计的控制方法的可行性与有效性。

基于干扰观测器的球形移动机器人直线运动控制

针对受扰球形移动机器人的直线运动控制问题,提出一种基于滑模干扰观测器和双幂次趋近律的分层滑模控制方法。该控制方法利用滑模干扰观测器对未知扰动进行在线估计,并且采用基于滑模干扰观测器的分层滑模控制器实现被控机器人系统的连续鲁棒控制。首先设计被控系统的第一层和第二层滑动变量,然后基于第一层滑动变量定义系统的辅助滑动变量。基于所定义的辅助滑动变量设计滑模干扰观测器,然后基于所设计的滑模干扰观测器和第二层滑动变量,采用改进的双幂次趋近律设计分层滑模控制器。从理论上分析所设计的分层滑模控制器作用下闭环系统的稳定性,并通过仿真实验验证所提控制方法的有效性。

灵长类仿生机器人悬臂飞跃运动控制研究

研究了双臂式灵长类仿生机器人的悬臂飞跃运动仿生控制问题.基于角动量守恒原理,针对机器人进行悬臂飞跃时目标点的位置,规划机器人的空中姿态及身体旋转.基于逆运动学分析方法,获得起飞时刻系统位姿,提出了基于分层滑模控制的悬摆姿态控制策略.仿真实验表明所述控制策略可以实现双臂悬摆机器人的悬臂飞跃运动控制.

一类带液体晃动航天器的姿态控制

针对一类带液体晃动的航天器,在建立系统数学模型的基础上,利用一种分层滑模的设计方法来设计控制器.将系统状态变量分成可自行到达平衡位置和需要施加控制才能到达平衡位置两部分,对于需要施加控制达到预定平衡位置的状态变量,用分层滑模控制来设计控制律,将其分解成两个子系统,分别构造滑动平面,采用Lyapunov方法求取总控制量.当系统接近平衡位置时,双层滑模控制器退化成单层控制器,保证系统能够稳定在最终的平衡位置上.仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果.

一种球形机器人高速直线运动的自适应控制方法

具备高速精准运动能力是球形机器人技术发展的重要方向。针对高速运动状态下外界扰动和系统抖振等因素对球形机器人精准直线运行产生的影响,开展面向高速直线运动的分数阶自适应分层积分滑模控制方法的研究。提出面向高速直线运动的球形机器人标准动力学模型并且以此作为控制方法的研究基础,将积分项和分数阶微积分项与分层滑模控制方法相结合,并且对高速运动过程中的未知扰动进行自适应评估和补偿,基于BYQ-GS高速运动球形机器人对该方法的控制效果展开验证。研究结果表明,在高速直线运动状态下,随着速度的增大,该控制方法能够有效提高系统响应速度、收敛速度、稳定性和鲁棒性,对球形机器人高速精准控制的实现有重要的意义。

利用姿态机动的绳系卫星编队系统轨道协同控制

为克服绳系卫星编队系统在轨道机动过程中的系绳摆动现象,提出一种通过调整领航星推力方向进而实现编队系统轨道跟踪的控制算法。由于推力方向角与状态量互相耦合且少于系统自由度个数,轨道协同控制属于典型的非仿射欠驱动控制问题。针对此问题,首先采用升阶法将角速度作为虚拟控制输入;然后为各子系统设计子滑模面后加权得到高层滑模面和等效控制输入律,并设计观测器估计系统非线性项;其次基于模型预测控制算法优化得到最高层滑模面的趋近控制律;最后采用MATLAB/Simulink验证了所提控制算法的有效性。

舰载武器垂直装填机械防摇控制研究

针对舰载垂直装填机械的防摇控制,提出一种分层滑模控制方法,并利用Lyapunov稳定性判据进行了稳定性证明;为消除滑模控制所产生的系统"抖振",利用模糊调节原理对滑模参数进行调节。仿真结果表明,本文给出的分层模糊滑模防摇控制器具有良好的动态性能,能在保证系统稳定条件下,达到减小摇摆的目的。