机械臂非奇异快速终端滑模迭代学习轨迹跟踪控制研究

针对机械臂建模参数精准性与扰动不确定性的精确轨迹跟踪控制问题,提出了一种非奇异快速终端滑模控制与迭代学习控制相融合的控制方法。首先,为保证跟踪误差的收敛速度,避免收敛中的奇异性问题,设计采用饱和函数趋近律的非奇异快速终端滑模控制器。其次,为进一步提高轨迹跟踪精度,设计误差迭代学习控制器,并对所设计的控制器进行了收敛性分析。最后,在Simulink软件中搭建所提方法的控制系统,进行迭代控制与对比控制仿真实验,并同步开展机械臂跟踪控制真机实验。结果表明:在迭代实验中,关节最大平均稳态误差提升了72%;在对比实验中,与比例微分(PD)型迭代学习控制和PD型线性滑模控制相比,最大平均稳态误差分别提升了97%、51%,最大响应调整时间分别减少70%、50%;在真机实验中,机械臂跟踪误差稳定在[-0.05,0.05] rad区间内。实验结果充分验证了所提控制方法的正确性与有效性,为解决机械臂轨迹跟踪中的不确定性问题提供了一种有效的控制方案。

PMSM无模型超螺旋快速积分终端滑模控制

针对永磁同步电机运行过程中因模型不确定、参数摄动和外部扰动等因素的影响,从而导致驱动系统性能下降的问题,提出一种新型控制策略。首先,为减少对系统数学模型的依赖,构建了一个新的超局部模型,用于描述永磁同步电机的转速环。其次,基于转速环的新型超局部模型,结合一种新型积分终端滑模面和改进超螺旋控制律来设计新型无模型超螺旋快速积分终端滑模控制器,实现了对转速的精确控制。再次,采用非奇异快速终端滑模面和双幂次趋近律设计改进扩展非奇异终端滑模扰动观测器,通过精确观测和前馈补偿未知扰动,有效地抑制参数摄动和外部扰动,增强了系统鲁棒性,提高系统的动态性能和稳态性能。最后,通过与传统控制方法的仿真和实验对比,证实所提算法转速抗超调能力提升为0.412 5%,转矩快速响应能力提升0.013 s。结果表明当存在未知扰动时,所提方法具有较强的鲁棒性和良好的抗干扰性。

基于改进幂次趋近律的机械臂终端滑模轨迹跟踪控制

针对传统终端滑模在机械臂轨迹跟踪控制中存在抖振、收敛速度缓慢及奇异性问题,提出了一种基于改进幂次趋近律的有限时间非奇异终端滑模控制策略。首先,设计了一种既能快速收敛又能消除系统初始抖振的改进幂次趋近律,分析证明了其有限时间收敛特性。然后,提出了一种快速非奇异终端滑模面,使系统误差能在有限时间内收敛到零,在此基础上,设计了基于改进幂次趋近律的机械臂快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制器,并进行Lyapunov稳定性分析。仿真结果表明:该控制器能准确跟踪期望轨迹,跟踪误差能在有限时间内快速收敛到平衡点,有效削弱了系统抖振,与快速幂次趋近律的普通非奇异终端滑模控制相比,具有更快的收敛速度和更好的控制效果。

永磁同步电机非线性增益非奇异快速终端滑模控制

为了研究传统滑模控制中系统误差在有限时间内无法收敛至0以及传统滑模控制中系统抖振与收敛速度互不兼容的问题,提出一种非奇异快速终端滑模控制与扰动观测器结合的速度控制器。通过将参数可变的非线性函数作为增益代替固定增益加入滑模控制策略中从而改善系统响应速度同时减小系统的抖振。针对转矩扰动对系统的影响,加入负载转矩扰动观测器并补偿到q轴电流中以进一步提高控制器抗负载扰动能力。根据李雅普诺夫稳定性理论对提出的新型滑模控制器进行稳定性证明,经过仿真和实验证明,电机在启动时响应快、无超调且抖振较小,在突加转矩时转速波动小且恢复时间迅速,证明了改进后的变增益非奇异终端滑模控制与传统非奇异快速终端滑模控制策略相比可以提高动态性能的同时抑制系统抖振、增强系统的鲁棒性。

干扰下参数不确定机械臂的快速终端滑模控制

为了提高参数不确定机械臂在干扰环境下的跟踪控制精度和收敛速度,这里提出了一种基于不确定补偿的机械臂双非线性快速终端滑模控制方法。建立了二自由度机械臂模动力学型,利用时延估计方法对系统不确定参数和环境不确定干扰进行估计与补偿;设计了一种双非线性快速终端滑模面函数,使系统在任意状态下可以快速趋近平衡点,有效提高了系统的快速收敛能力和鲁棒性;基于李雅普诺夫理论证明了所设计控制器的稳定性。经仿真验证,与时延估计+传统快速终端滑模复合控制相比,这里控制方法的收敛速度和跟踪精度明显更优;与快速终端滑模控制比,这里控制方法能够无波动、无稳态误差地跟踪设定轨迹。上述仿真结果验证了双非线性快速终端滑模方法在参数不确定机械臂控制中的优越性。

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。

基于全局快速终端滑模的6-PSS并联运动模拟器轨迹跟踪控制研究

针对6-PSS并联运动模拟器动力学模型中的不确定性和时变扰动,提出了一种基于全局快速终端滑模的鲁棒控制策略。首先,运用虚功原理建立了该机构的动力学模型(该动力学模型表明6-PSS并联机构是一个具有非线性和强耦合特性的多变量系统),对动力学模型进行了离线处理,使其反映出机构真实动力学特性,并满足设备实时计算能力的要求;然后,基于简化后的动力学模型设计了一种全局快速终端滑模控制器(GFTSMC),设计李雅普诺夫(Lyapunov)函数对控制律进行了分析,证明了控制器的稳定性;最后,将控制策略应用于6-PSS并联运动模拟器轨迹跟踪控制,并将其与PD前馈控制及传统滑模控制(SMC)进行了对比实验。研究结果表明:GFTSMC相对于PD和SMC的平均误差分别下降了82.92%和18.88%,标准差分别下降了80.03%和41.73%,且能够起到抑制抖振的效果,是6-PSS并联运动模拟器的一种有效且实用的鲁棒控制方案。该研究结果可为6-PSS并联运动模拟器控制及工程应用提供理论依据。

基于改进分数阶快速终端滑模的APF优化控制研究

电力电子化系统的快速发展导致电网中的谐波问题日益严重。为进一步提高有源电力滤波器(activepower filter, APF)的补偿电流跟踪性能和滤波效果,提出一种基于金枪鱼群优化(tuna swarm optimization, TSO)算法的改进型分数阶快速终端滑模控制(improved fractional-order fast terminal sliding mode control, IFOFTSMC)策略。首先,搭建三相并联型APF的数学模型,并考虑其参数扰动。其次,提出一种改进的分数阶快速终端滑模控制策略,其中滑模面采用分数阶快速终端滑模与分数阶PI相结合,并进行了有限时间分析,趋近律采用指数趋近律和幂次趋近律相结合,同时以反双曲正弦函作为切换项。然后,利用TSO算法对所设计控制器的参数和阶次进行优化并获得最优解。最后,通过仿真验证了所提控制方法的有效性。此外,经与相关文献比较进一步证实了所提优化控制算法不仅可以获得最优控制参数和最优分数阶阶次,使系统在有限时间内到达稳定,还能使APF具有更好的电流跟踪性能、滤波效果和更强的鲁棒性。

采用改进快速变幂次趋近律的滑模控制方法

针对基于传统幂次趋近律的滑模控制方法在使用中抖振现象突出、趋近速度慢、时间长等问题,提出一种改进快速变幂次趋近律的滑模控制方法。首先,采用快速双幂次趋近律并加以改进,在原快速双幂次趋近律的基础上加入变指数项,使系统状态在不同趋近阶段中针对性地调节速度,大大地提高了系统动态响应过程的趋近速度,限制了抖振现象的产生,同时具有有限时间收敛性。对改进后的快速变幂次趋近律的数值分析结果表明:当系统状态的绝对值小于1时,系统相当于快速幂次趋近律,系统可平滑进入滑模段,消除抖振;当系统状态的绝对值大于等于1时,又相当于快速双幂次趋近律,系统的动态响应速度有所提高,趋近时间缩短。然后,将改进的快速变幂次趋近律用于滑模控制中,构成改进快速变幂次趋近律的滑模控制方法。采用所提滑模控制方法对履带机器人轨迹进行跟踪控制,实验结果表明:与几种基于传统的幂次趋近律控制方法相比,所提控制系统在趋近平衡零点时几乎无抖振现象的产生,具备更优的性能,且收敛时间最短,最短时间仅为其他方法的69.4%。

永磁同步电机变指数快速幂次趋近律滑模控制

为了提高永磁同步电机调速系统的控制性能,克服扰动对转速的影响,研究了一种变指数快速幂次趋近律。该趋近律趋近速度快,抖振小。基于该趋近律设计永磁同步电机积分滑模速度控制器,用李雅普诺夫函数对控制器进行稳定性分析,并与传统指数趋近律控制器、PI控制器进行仿真对比,结果表明采用变指数快速幂次趋近律控制器的系统速度响应快,鲁棒性强,具有良好的动、静态性能。

基于复合非奇异快速终端滑模算法的PMSM位置控制

针对永磁同步电机(PMSM)位置控制系统在参数摄动和负载扰动等各种不确定性下的位置跟踪精度低和鲁棒性差的问题,提出了一种结合非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扰动观测器的复合控制策略。首先,NFTSMC采用了具有全局快速收敛特性的非线性滑模面,结合连续的滑模控制率设计了位置控制器,通过Lyapunov定理证明了其稳定性。然后,为了进一步提高永磁同步电机位置控制系统的鲁棒性,引入扩张状态观测器来精确估计系统的集总扰动并对位置控制器进行前馈补偿。最后,仿真与实验结果表明,与传统的滑模相比,所提出的复合滑模控制策略具有更快的动态响应、更高的跟踪精度和更强的鲁棒性。

采用快速幂次趋近律的滑模控制仿真实验

对于二阶van der Pol混沌系统,采用不同的趋近律设计滑模控制器进行平衡控制。在滑模控制器的设计中,分别采用指数趋近律和快速幂次趋近律。采用指数趋近律时,控制输入出现了抖振现象。采用快速幂次趋近律时,控制输入没有出现抖振现象。通过MATLAB/Simulink软件建立采用不同趋近律的滑模控制仿真实验。该仿真实验,有助于学生对混沌控制和滑模控制的理论理解和工程应用。

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。

基于高增益比例积分观测器的液压伺服系统全局快速终端滑模控制

针对受不确定性影响的非线性液压伺服系统,设计了一种基于高增益比例积分观测器的全局快速终端滑模控制方法。首先,采用输入输出反馈线性化方法对非线性模型进行线性化处理,使其适用于观测器与控制器的设计结构,其中比例积分观测器用于估计包括建模误差、外部干扰和测量噪声等综合不确定性,全局快速终端滑模控制器用于快速补偿观测器误差,从而进一步提高控制系统的鲁棒性。此外,根据李亚普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性。最后,将所设计方法与传统PID控制以及传统滑模控制方法在相同的不确定性环境下进行了对比实验,实验结果表明所提方法具有更快的响应速度、更高的跟踪精度与抗干扰能力。

基于磁链观测的永磁直线同步电机自适应非奇异快速终端滑模控制

针对应用于电磁弹射的永磁直线同步电机(PMLSM)无位置传感器控制系统易受参数变化等不确定因素影响,提出一种将磁链观测器与自适应非奇异快速终端滑模控制(ANFTSMC)相结合的组合控制系统。该组合控制系统针对含有不确定参数的PMLSM,设计磁链观测器实时计算电机动子的位置和速度信息,确保控制系统快速获得准确的运行参数,并利用ANFTSMC自适应调整系统收敛速度的特性,抑制不确定因素的影响,提高系统的响应速度,避免终端滑模控制出现的奇异性问题。通过仿真分析验证,该控制系统可以在保证跟踪精度和响应速度的同时,削弱抖振,实现PMLSM无位置传感器情况下快速、平稳运行,该控制系统能够满足电磁弹射的工程应用要求。

基于改进快速终端滑模的高超声速飞行器姿态控制

针对高超声速飞行器存在复合扰动的姿态控制问题,设计了一种改进快速终端滑模控制方法。建立弹性影响下的飞行器模型,定义姿态角误差向量,得到再入模型的误差动态方程;然后设计了三阶滑模观测器对复合扰动进行估计;又引入双曲正切函数改进终端滑模控制方法,并证明了所提策略的稳定性;最后,通过仿真实验,能够高精度快速地跟踪指令,验证了设计策略的有效性和优越性。

弹载电动舵机幂次滑模反演控制

针对高频响弹载电动舵机系统存在的齿隙非线性、参数时变、未知扰动等问题,提出一种幂次型快速Terminal滑模反演控制策略.设计连续可微函数逼近齿隙非线性环节的死区模型,建立拟合系统的状态空间模型并划分为3个子系统进行控制设计.采用反演控制思想设计快速幂次Terminal滑模控制器,内环采用直接转矩控制控制策略,提高响应速度.应用Lyapunov方法证明闭环系统跟踪误差的有限时间收敛特性,实现了对齿隙非线性的精确补偿.实验结果验证了所提出控制策略的有效性,与反演控制和PID控制策略相比,弹载电动舵机的控制精度、收敛速度及鲁棒性有显著提高.

基于新型幂次指数趋近律滑模控制算法的研究

针对传统滑模控制存在抖振与收敛速度缓慢的问题,提出一种新型幂次指数趋近律的滑模控制方法。首先上述趋近律结合了双曲正切函数与符号函数的特征进行了切换函数上的改进,滑模系数影响因子引入了系统误差与滑模状态变化量,使其能够自适应调节滑模到达过程的收敛速度并对其进行分阶段调节,还利用切换函数的特征分析了趋近滑模面双侧切换区间的范围;其次分析了自适应新型幂次指数趋近律的收敛区域和收敛时间,并证明了此趋近律的存在性、可达性与稳定性;最后将新型幂次指数趋近律和其它各种传统趋近律运用到经典二阶系统进行了对比,仿真结果表明新型幂次指数趋近律能够更好的提升收敛速率以及削弱抖振的产生。

新型幂次趋近律的无人艇航向的终端滑模控制方法

针对传统滑模控制方法和传统滑模趋近律在喷水推进型水面无人艇的航向控制中存在收敛速度慢、耗时长和抖振严重等缺点,提出一种基于新型幂次趋近律的终端滑模控制方法。首先利用终端滑模控制思想在滑动超平面的设计中引入非线性函数,构造Terminal滑模面,在终端滑模控制提高动态响应速度的前提下,进而引入改进的新型幂次趋近律,充分结合终端滑模的控制理论和新型趋近律的思想设计了新型Terminal滑模控制器,最后进行了Lyapunov稳定性证明和仿真。仿真结果表明,设计的新控制器与传统幂次趋近律、指数趋近律相比,具有更快的收敛速度和更好的运动品质。