基于扩展状态观测器的永磁同步电动机的加权快速终端滑模控制

为提高永磁同步电动机的位置跟踪精度和抗扰性,提出了一种基于扩展状态观测器的加权快速终端滑模控制方法。首先,为降低系统扰动带来的影响,设计扩展状态观测器估计永磁同步电动机系统的总扰动。然后,根据扰动对系统的影响,对位置误差加权并将其作为滑模面中的非线性项,从而设计基于位置误差权重分配的滑模面。最后,设计快速加权终端滑模控制器对扰动做出具体补偿,并使系统在有限时间内趋于稳定。通过仿真结果验证,与传统的快速终端滑模控制器相比,在受到扰动时,本文设计的控制方法收敛速度更快,抗干扰性更强,能实现更准确的轨迹跟踪。

不确定非线性系统快速终端滑模控制

针对界未知的非匹配不确定非线性系统轨迹快速跟踪控制,设计非线性干扰观测器(NDO)的反演自适应终端滑模控算法。首先设计子系统干扰观测器来确定界未知非匹配项补偿量,并结合子系统的Lyapunov函数求出反演控制中虚拟控制律,并运用指令滤波器解决虚拟项求导所带来的微分膨胀缺陷;再设计系统的非奇异快速终端滑模面并给出建模误差不确定性的自适应律,继而求出系统总控制律以确保总闭环系统有限时间全局渐近稳定;最后机器人动力学仿真案例表明,所设计的控制器能实现对指定轨迹的快速稳定跟踪,控制量光滑弱抖振,并对非匹配干扰具有较强的鲁棒性。

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。

基于非奇异快速积分终端滑模的机械臂鲁棒控制

为了克服机械摩擦、未知负载和模型误差等不确定性因素对机械臂控制精度的影响,采用指数障碍李雅普诺夫函数设计了非奇异快速积分终端滑模有限时间鲁棒控制律。首先,建立了带有各类不确定性因素的机械臂数学模型,并通过设计的观测器准确地估计出干扰值;然后,利用机械臂转角误差设计了非奇异快速积分终端滑模面,在指数障碍李雅普诺夫函数的基础上,设计出了有限时间鲁棒控制律;最后,通过稳定性分析验证了设计的有限时间鲁棒控制律能够在有效时间内收敛。三自由度机械臂的仿真结果表明:提出的有限时间鲁棒控制律能够有效克服不确定性因素对机械臂控制精度的影响,观测器的最大估计误差为0.1(°)/s 2,机械臂各关节转角的最大跟踪误差为0.1°,验证了设计方法的有效性。在三维空间固定坐标定位实验中,机械臂在提出的有限时间鲁棒控制律作用下的最大定位误差为0.22 cm,最长运行时间为2.2 s,验证了在实际工程应用中能够实现更高的控制精度和运行效率。

基于非线性积分快速终端滑模的拖拉机路径跟踪控制方法

为提高拖拉机田间作业路径跟踪控制的精度,本研究提出了一种基于非线性积分快速终端滑模的拖拉机路径跟踪控制方法。首先,建立拖拉机两轮动力学模型;然后,结合非线性积分滑模面和快速终端滑模趋近律设计拖拉机路径跟踪控制器,减小了传统滑模控制普遍存在的抖振和稳态误差,使用李雅普诺夫判据检验了控制器的稳定性。通过Matlab/Simulink建立了拖拉机路径跟踪仿真模型,对所提方法进行路径跟踪仿真试验。试验结果表明,拖拉机曲线路径跟踪的最大横向偏差为0.011 m,满足拖拉机跟踪田间作业路径的精度需求。

无人机全电刹车系统级联快速终端滑模控制

无人机防滑刹车系统具有高阶非线性、强耦合以及参数时变性等特点,会对无人机的地面滑跑性能造成不利影响。提出了一种无人机全电防滑刹车系统快速终端滑模控制方法,实现对最佳滑移率的准确跟踪,并保证刹车系统的稳定性。建立了无人机全电刹车系统整体模型,在控制器设计过程中避免了对地面结合系数拟合公式的依赖。结合反演控制的思想,逐级设计了快速终端滑模控制器实现对滑移率以及刹车压力参考值的精确跟踪,并通过Lyapunov稳定性理论证明了控制器的稳定性。通过仿真测试验证了所提出控制策略的有效性。

基于快速终端滑模的机器人柔顺磨抛阻抗控制

为提高磨抛机器人在未知干扰和建模不确定性下的动态柔顺性能,实现高精度的自动磨抛,提出了一种主动柔顺模糊自适应变阻抗控制方法。以阻抗控制为基础,引入快速终端滑模进行运动控制,以提升控制系统鲁棒性与响应速度,基于指数趋近率,采用连续的双曲正切函数代替符号函数建立带有抑制抖振功能的控制律;在此基础上,采用模糊控制调节阻抗参数来提高系统响应时间和减少超调量,设计了模糊自适应变阻抗模块,定义了模糊规则。通过李雅普诺夫函数验证了控制器稳定性。进行了Simulink仿真对比实验,结果表明,相较于PID,所提方法在响应速度方面提高了37.2%,超调量降低了20.5%,累计误差方面也有明显改善,有利于提高磨抛表面的一致性和磨抛精度。

一种永磁同步电机无模型超螺旋快速终端滑模控制方法

针对内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)由于内部参数变化、外部扰动等各种不确定性因素导致控制性能不佳的问题,提出一种无模型超螺旋快速终端滑模控制方法。首先,建立考虑IPMSM不确定性的新型超局部模型,结合超螺旋算法和快速终端切换函数设计无模型超螺旋快速终端滑模控制器,确保系统状态有限时间收敛,并有效减小抖振。其次,设计扩展滑模扰动观测器精准估计超局部模型中的未知部分,并前馈补偿给设计的控制器,进一步提升系统的抗干扰能力和跟踪性能。最后,通过与PI控制和传统无模型滑模控制进行仿真实验对比,验证了该方法具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性。

基于扩展状态观测器的永磁同步直线电机自适应快速非奇异终端滑模控制

针对永磁同步直线电机(PMSLM)伺服系统的位置跟踪精度易受参数变化、负载扰动和摩擦力等不确定性因素影响的问题,该文提出了一种基于扩展状态观测器(ESO)的自适应快速非奇异终端滑模控制器(AFNTSMC).首先,采用了快速非奇异终端滑模面,在保证系统有限时间快速收敛的同时消除奇异性问题;然后,提出了一种新的自适应滑模趋近律(ASMRL),在抑制系统固有抖振的同时提高系统状态点趋近滑模面的速度;最后,考虑到高开关增益引起的高频抖振问题,设计了一个基于双曲正切函数的ESO来观测系统的不确定性扰动,作为前馈补偿以保证系统强鲁棒性的同时,削弱高频抖振.仿真实验结果表明,该方法提高了系统的瞬态响应速度和位置跟踪精度,在保证系统有限时间快速收敛的同时,拥有更好的动态跟踪性能,能够有效削弱抖振提高系统鲁棒性能.

基于改进非奇异快速终端滑模反演控制的风力发电系统最大功率跟踪

针对永磁直驱风力发电机系统的最大功率跟踪存在非线性、系统参数不确定及外部扰动问题,提出一种基于有限时间干扰观测器的非奇异快速终端滑模反演控制策略。针对转速跟踪问题,将系统参数不确定与外部扰动定义为集总扰动,用观测器快速精确估计之后补偿。采用反演控制法处理非线性系统,结合动态面控制设计虚拟控制律,同时设计滑模控制律,提高系统收敛速度与跟踪精度。通过李雅普诺夫理论与仿真实验证明该系统的稳定性与有效性。

基于扰动观测器的永磁直线电机高阶非奇异快速终端滑模控制

针对永磁直线同步电机运行时存在模型不确定性、负载扰动、参数摄动等匹配/不匹配扰动等问题,该文提出一种基于扰动观测器的高阶非奇异快速终端滑模控制策略。利用非线性扰动观测器观测匹配/不匹配扰动,降低系统对多重扰动的保守性。此外,设计高阶非奇异快速终端滑模控制器,增强系统的鲁棒性,并将反馈电流引入滑模面,实现电机位置、速度和电流的整体控制,以提高位置跟踪系统的动态性能和稳态性能。基于李雅普诺夫稳定性理论,分析证明了闭环系统的稳定性和收敛性。最后,通过实验验证了所提控制方法的可行性,能够有效提高系统的跟踪精度和鲁棒性。

基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能,本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略.论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型,根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律,设计了位置跟踪控制器,所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器,并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛.为了进一步提高系统的抗扰动性能,本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿.然后,文章对系统整体进行了稳定性证明.最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证.结果表明,该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快,对外部干扰具有强鲁棒性.

基于扰动估计的电子节气门离散快速终端滑模控制及实验性能分析

针对电子节气门数字控制中不确定性与扰动导致的控制精度低问题,提出一种新型离散快速终端滑模控制器。首先,基于欧拉离散化方法建立节气门离散模型,并考虑全部参数的不确定性以及进气扰动。采用延迟估计器对系统扰动总集进行估计,并补偿到控制器中,使滑动变量的稳态性能提升至采样步长的高阶精度。然后,基于离散滑模到达条件设计改进离散快速终端滑模控制率。理论证明了所提出的控制器拥有更佳的稳态精度,并揭示了采样步长和关键控制参数对系统性能的影响规律。最后,设计两种实验测试信号,与传统离散滑模控制进行对比,结果表明所提出的控制器拥有更快的响应速度和更高的控制精度,尤其是节气门连续小角度变化时动态跟踪性能良好。

高速动车组分布式全局快速终端滑模控制策略

速度跟踪控制是高速动车组自动驾驶的关键技术之一。通过分析列车运行过程的动力学关系,将车钩系统描述为弹簧-阻尼器系统,并考虑列车受到的附加阻力,以及由于列车车钩形变产生的列车长度变化等,建立高速动车组纵向多质点动力学模型。在此模型基础上,设计分布式全局快速滑模控制器,此策略连续的控制率消除了传统滑模控制的抖振问题,控制器考虑动车与拖车的不同动力分配和牵引电机的输出功率上限,分别对动车与拖车的控制力进行不同的饱和限制。基于李雅普诺夫稳定性原理,证明了提出的控制算法的收敛与稳定。仿真结果表明,此高速动车组多质点模型能较为准确地反映列车运行中车钩的状态与受到的附加阻力,基于该模型的带有输出限制的分布式全局快速终端滑模控制器,使车钩纵向冲动更小,速度跟踪性能更优。

柔性空间机器人快速终端滑模容错抑振控制

针对基座与臂杆存在柔性且执行机构发生故障的自由漂浮空间机器人系统,设计了快速终端滑模容错抑振控制器。结合线性弹簧假设、欧拉-伯努利梁理论和假设模态法提取了系统的柔性特征,利用拉格朗日方程推导出柔性基、柔性臂空间机器人系统的动力学模型;基于双幂次非奇异快速终端滑模为系统设计了有限时间容错控制器,采用Lyapunov函数法证明了闭环系统的稳定性;在此基础上,引入混合轨迹对容错控制器进行修正,进而构造出基于虚拟控制力的有限时间容错抑振控制器,实现对空间机器人载体姿态与关节轨迹的快速跟踪控制及基座与臂杆柔性振动的有效抑制。仿真结果表明,相较于无容错机制的计算力矩抑振控制算法,所设计算法的轨迹跟踪误差收敛速度提升了68.75%,弹性基座的振幅减小了78%,限定在1.1×10^(-4)m之内。

永磁直线电机快速终端滑模预测电流控制

在表贴式永磁同步直线电机(SPMLSM)系统中,参数失配将影响传统无差拍预测电流控制的性能,为此,提出一种基于快速终端滑模扰动观测器的鲁棒无差拍预测电流控制策略(FTDO-DPCC)。首先,结合经典SPMLSM数学模型设计传统无差拍预测电流控制策略,并分析其在参数失配情况下的鲁棒性;其次,将参数扰动和未建模动态归并到一个集总扰动项,提出永磁同步直线电机扩张状态模型;再次,设计快速终端滑模扰动观测器(FTSMDO)快速准确地跟踪集总扰动,并在每个控制周期将估计扰动值馈入扩张状态模型;最后,构建基于跟踪误差指数收敛的成本函数,得到新型无差拍预测电流控制策略。该方法在基于现场可编程门阵列(FPGA)的驱动器系统上进行了实验验证,结果证明了该算法的有效性和优越性能。

PMLSM伺服系统自适应非奇异快速终端滑模控制

针对永磁直线同步电动机(PMLSM)的位置跟踪精度易受外部扰动的影响,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制(ANFTSMC)方法。建立PMLSM数学模型。为解决滑模控制(SMC)系统时会产生收敛速度慢、可能产生奇异性等问题,利用非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)解决该问题,保证系统收敛,既不产生奇异性又提高快速性。加入自适应律可以在线估计系统未知扰动的上界,提高系统的鲁棒性。通过仿真分析得出结论,与SMC和NFTSMC相比,ANFTSMC方法能解决收敛速度慢的问题,跟踪精度与鲁棒性亦有所提高。

双连杆柔性臂非奇异快速终端滑模控制

针对双连杆柔性机械臂轨迹跟踪过程中抖振大、精确度低等问题,设计了一种非奇异快速终端滑模控制算法。首先根据拉格朗日方程及能量守恒定律推导出双连杆柔性机械臂的动力学方程,进而设计了基于跟踪误差状态方程的非奇异快速终端滑模控制器,其中采用双曲正切函数代替符号函数来削弱抖振的影响,并利用李雅普诺夫理论证明了该闭环系统的稳定性。仿真结果表明,提出的控制策略具有跟踪精度高,抖振更小的优点。

考虑液体大幅晃动充液航天器的自适应非奇异快速终端滑模控制

针对考虑液体燃料大幅晃动的充液航天器进行姿态机动控制,研究控制系统中存在系统参数不确定、外部未知干扰以及测量不确定的充液航天器姿态控制系统,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制器。将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立了液体大幅晃动航天器动力学方程。针对充液航天器姿态稳定问题,设计具有有限时间收敛且能避免奇异点的非奇异快速终端滑模面,使充液航天器可以快速达到姿态稳定;与此同时,设计自适应更新律估计集总扰动的未知上界。Lyapunov稳定性分析表明,在系统参数不确定、外部未知干扰、测量不确定和大幅液体晃动的影响下,所提出的自适应非奇异快速终端滑模控制能够保证系统的快速收敛特性,仿真分析验证了所提出控制器的有效性。

基于干扰观测器的磁悬浮球系统全局快速终端滑模控制

为解决磁悬浮球系统模型不确定性和易受外部干扰影响的问题,提出一种基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制(GFTSMC)方法.首先,分析了磁悬浮球系统的数学模型并建立动态方程;然后,设计终端滑模干扰观测器(TSMDO),用以观测和估计系统所受到的扰动,经证明,该观测器对扰动的估计误差能在有限时间内收敛;其次,为克服系统不确定性和外部干扰的影响,设计了基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制器,可以实现系统的全局快速收敛,所设计的控制律不含切换项,能削弱抖振,以提高系统的抗干扰性和鲁棒性;最后,对所提出的TSMDO-GFTSMC进行了仿真验证,结果表明:与基于扩张状态观测器的连续滑模控制方法相比,采用本文方法,磁悬浮小球的起浮响应时间缩短0.38 s,位移偏差减小90%,跟踪误差由0.420 mm减小为0.032 mm;本文方法提高了对干扰的观测精度,优化了磁悬浮球系统的控制效果,增强了系统的鲁棒性.