四旋翼无人机的有限时间输出反馈姿态跟踪控制

针对四旋翼无人机姿态系统中存在的执行器饱和、惯性不确定性和外界干扰问题,该文提出了一种有限时间输出反馈控制方法。该方法利用输出反馈来处理系统部分状态的不可观测性,设计神经网络状态观测器来估计未知状态,并基于该估计状态构造虚拟控制信号和控制器。为了克服传统反步法的计算复杂性问题,引入了有限时间命令滤波器来滤波虚拟控制信号,并在有限时间内获得虚拟控制导数,增加误差补偿信号来消除滤波误差。最后,利用Lyapunov方法证明了姿态跟踪误差在有限时间内可以收敛到原点的期望邻域内,并且闭环系统中的所有信号在有限时间内都是有界的。通过Matlab仿真验证了该控制方法的有效性。

具有输入时滞和预设性能的非线性系统有限时间动态面控制

针对一类具有输入时滞和动态不确定性的非严格反馈非线性系统的跟踪问题,提出一种新的基于预设性能的有限时间自适应跟踪控制方案.利用Pade逼近和辅助中间变量将有时滞系统转化为无时滞系统,采用由一阶辅助系统生成的动态信号处理未建模动态,引入双曲正切函数实现预设性能跟踪控制,并给出基于动态面控制方法的稳定性分析.在MATLAB环境中,以具有未建模动态和输入时滞的二阶非线性系统为例,对所提出的控制策略进行数值仿真.结果表明:所提出的控制方案能够避免现有有限时间控制所出现的虚拟控制求导奇异性问题,所有信号有限时间有界,跟踪误差收敛到预设的时变区间,可见控制算法切实有效.

二阶系统有限时间控制方法综述

相比于传统且经典的比例–积分–微分(PID)控制,带有指数参数的有限时间控制方法具有更好的控制性能,因而引起广泛的关注和研究.本文首先从方法设计和稳定性分析角度,对现有主流有限时间控制方法进行整理和归纳,将其分为17种有限时间状态反馈控制方法及6种有限时间输出反馈控制方法.其次,以一类具有普遍和基础性的二阶系统为例,统一变量和参数,给出了每种控制方法对应的控制器的显式结构.然后,通过原理分析和比较分析,对每种控制方法的优点及不足之处进行了总结,尤其是给出了终端滑模控制具有“控制奇异与收敛时间矛盾性”的结论,以及指出了一些方法存在较大保守性的问题.最后,通过列表的方式展示了所有有限时间控制方法的优缺点及值得进一步深入研究的课题.

输入饱和的永磁同步风力发电机有限时间滑模控制

针对永磁同步风力发电机在传统控制方法下存在的控制精度低、抗干扰性能差以及在风能捕获过程由风速快速变化引起较大的控制输入量从而产生饱和约束等问题,基于输入输出反馈线性化(IOFL)方法,结合有限时间(FT)理论与滑模控制(SMC)为输入饱和的PMSG设计一种有限时间滑模控制器(FT-SMC)。首先,引入IOFL来提高系统控制精度,在其基础上设计FT-SMC来增强系统的鲁棒性能;然后,在FT-SMC中引入抗饱和补偿器(ATC)解决系统中输入饱和引起的控制稳定性问题;然后,利用Lyapunov稳定性理论分析闭环系统的稳定性,保证系统在有限时间内能够快速跟踪且稳定运行。最后,在Matlab/Simulink仿真实验和半实物仿真平台上进一步验证所设计控制器的有效性和对系统转速的跟踪性能,实验结果表明FT-SMC具有控制精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。

有限时间镇定控制的实验设计与验证

有限时间镇定是最近二十年控制领域的一个热门研究方向。采用有限时间镇定技术,可以设计控制系统或观测器使得系统误差或估计误差在有限的时间内收敛到零,这对有严格时间要求的系统至关重要。该文以工业伺服系统常用的永磁同步交流电动机作为被控对象,基于转子磁场定向模式,针对电动机的位置-速度环设计了有限时间观测器和有限时间控制律相结合的位置伺服控制器,并与常规的渐近控制器相比较,通过数字信号处理器TMS320F28335搭建了实验测试平台,实验结果验证了设计方案的有效性。将该综合实验用于本科生计算机控制系统实训和研究生的控制工程实践环节,可帮助学生领会先进控制技术的潜力,激发其创新精神。

多自由度机械臂的饱和输出反馈有限时间同步位置控制

针对输入受限的多自由度机械臂高精度位置控制问题,本文充分考虑驱动器饱和非线性的影响,提出了多自由度机械臂输出反馈饱和有限时间比例–微分(PD)+同步位置控制策略,应用Lyapunov稳定性理论和几何齐次性技术证明了闭环系统的全局有限时间稳定性.非线性饱和函数的恰当引入,使得所提出的控制器具有清晰明确的上界,可以通过预先选择满足特定条件的控制器参数有效避免驱动器饱和问题;同步控制项的恰当引入,使得所提出的控制器兼顾了多自由度机械臂各轴间的同步协调性,从而获得更快的收敛速度和更好的系统整体性能,满足工程实际对机械臂的高精度要求.本文的数值仿真结果验证了所提出的控制方法的有效性和可行性.

纯反馈系统的自抗扰预设定有限时间量化控制

针对一类具有量化输入的非仿射纯反馈系统,将自抗扰控制和预设有限时间控制结合起来,提出一种自抗扰预设定有限时间量化控制策略.设计自抗扰预设定有限时间量化控制器.仿真实验结果表明:在外部扰动作用下,该文策略比神经网络策略有更好的控制性能.因此,该文策略具有优越性.

多轴机器人系统输出反馈有限时间同步位置控制

机器人的位置控制是机器人控制领域最基本、最简单的目标。针对多轴机器人系统的高精度位置控制问题,文中结合交叉耦合技术,提出一种输出反馈非线性PD加重力补偿(PD+)同步位置控制器,应用Lyapunov稳定性理论和几何齐次性技术严格证明了闭环系统的全局有限时间稳定性。相比于渐近稳定的全状态反馈控制,所提出的控制器能实现只基于位置测量的多轴机器人系统输出反馈有限时间稳定位置控制;相比于渐近稳定的输出反馈控制,所提出的控制器能实现系统状态的有限时间稳定;相比于不含同步控制项的输出反馈控制,非线性同步控制项的恰当引入使得所提出的控制器能在保证多轴机器人系统的高精度位置控制的前提下,兼顾各轴间的同步协调运动。所提出的控制器具有结构简单、易于实现、更快响应速度和更好系统整体性能等优点,满足生产实际对机器人系统的高精度要求。数值仿真结果验证了所提出的控制算法的有效性和期望系统性能。所提出的控制方法不仅保证了多轴机器人系统的输出反馈全局有限时间稳定同步控制,同时也为一大类非线性二阶系统的输出反馈同步位置镇定提供了一种有效的替代方法。

基于输出反馈和滑模控制的一类二阶非线性系统有限时间镇定方法

本文研究了一类具有不确定非线性动力学和未知外部扰动的二阶非线性系统的全局有限时间输出镇定问题.首先,提出了一种全局状态反馈有限时间控制器,实现了二阶非线性系统的有限时间镇定.为了解决只有系统输出可用这种更有挑战性的情况,采用了一种新颖的设计思想,即非分离原理.构造了一个有限时间收敛的状态观测器来估计未知状态.在此观测器的基础上,提出了一种基于输出的有限时间复合控制器.基于李雅普诺夫方法,证明了整个闭环系统的全局有限时间稳定性.仿真结果表明了理论的有效性.

基于有限时间观测器的VTOL飞行器跟踪控制

针对垂直起降(VTOL)飞行器的轨迹跟踪控制问题,本文提出了一种基于有限时间控制的输出反馈控制方案。采用系统分解技术将原系统解耦成2个子系统,将原系统的输出轨迹跟踪问题转化为2个子系统的镇定问题。对解耦后的系统,利用滑模控制方法设计了一种状态反馈控制律,所设计的控制器能够保证闭环系统有限时间稳定。考虑部分状态不可测量情况下的VTOL飞行器轨迹跟踪控制问题,提出了一个有限时间快速收敛观测器,基于有限时间快速收敛观测器提出了有限时间输出反馈控制律。仿真结果表明,所提出的控制方法具有良好的跟踪性能,能够实现飞行器对给定参考轨迹的快速、准确跟踪。

一类二阶非线性系统的有限时间状态反馈镇定方法

针对一类二阶非线性系统的有限时间状态反馈镇定问题进行了讨论.给出了三种基于连续状态反馈的全局有限时间状态反馈镇定方法.首先,利用非线性齐次系统性质,设计出一种状态反馈控制器,使得闭环系统渐近稳定并且具有负的齐次度;其次,基于有限时间Lyapunov函数的反步构造法,给出了一种有限时间控制器;最后,利用非奇异终端滑模控制技术,得到了一种使闭环系统有限时间收敛到平衡点的反馈镇定控制器.仿真结果表明了这些方法的有效性.

轮式移动机器人有限时间镇定控制器设计

主要研究了单链链式系统的有限时间镇定问题。通过探讨n维链式系统的潜在线性结构,将其分解成一个标量子系统和一个n-1维线性时变子系统,并证明了该时变子系统在具有时变函数系统矩阵时的能控性。在此基础上,采用分段控制策略,基于终端滑模控制理论设计了不连续反馈镇定控制律,实现了系统的有限时间镇定。最后将该结论应用到非完整轮式移动机器人,仿真结果验证了方法的正确性。

面向刚柔耦合卫星的有限时间输出反馈姿态控制

针对进行大角度快速机动的刚柔耦合卫星,提出了有限时间控制方法。首先在考虑卫星本体运动与柔性附件变形耦合效应的情况下,建立一次近似刚柔耦合动力学模型。其次假设柔性附件振动信息可测,考虑外部干扰和转动惯量不确定性,基于非奇异快速终端滑模(NFTSM)原理,设计了有限时间全状态反馈控制器,根据Lyapunov原理证明其有限时间稳定性;进一步考虑柔性附件振动信息不可测的实际情况,设计了非奇异快速终端滑模动态输出反馈控制器,该控制器仅利用角度和角速度信息就可以实现有限时间快速姿态稳定。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,并通过与现有文献中控制算法进行对比,验证了本文设计的输出反馈控制算法的有限时间快速稳定特性。

一类非完整系统的有限时间镇定控制

针对一类可化为链式标准型的非完整系统的有限时间镇定问题,提出了一种基于切换控制策略的有限时间镇定控制器,并给出了控制器参数的选择条件。该控制器利用切换控制的思想,根据系统的状态变化,通过有限次切换,可使得非完整链式系统各状态在有限时间内从任意的非平衡位置收敛至平衡位置。最后给出了应用该控制器控制非完整链式系统的具体形式,通过仿真实验验证了所设计的有限时间镇定控制器的有效性。

动态反馈的一类不确定非完整移动机器人有限时间镇定

针对一类非完整移动机器人,通过输入-状态变换得到一个三输入链式系统,考虑其在含有不确定控制方向和外部扰动时动态反馈的有限时间镇定问题.运用非光滑控制理论,给出了新型切换设计算法,并得到了不连续的三步切换控制器,使得相应的闭环系统全局有限时间镇定.通过数值仿真验证了该控制策略的有效性.

不确定轮式移动机器人的有限时间镇定控制

提出一种不确定非完整n维单链系统全局有限时间镇定控制器的设计方法.该方法将单链系统分解为一个一阶子系统和一个n-1阶子系统,并采用一种输入状态不连续变换实现两个子系统的解耦,然后基于有限时间Lyapunov函数法对两个子系统分别进行控制器设计,保证不确定系统的稳定和有限时间收敛.此外,对n-1阶子系统的控制器设计还结合了递归设计方法,并利用切换控制策略,使得解耦后的n-1阶子系统不存在奇异,保证控制器的全局稳定性.最后将该控制器应用于一类不确定非完整轮式移动机器人,仿真结果证明了该控制器的有效性.

不确定Sprott-D混沌系统的有限时间鲁棒反馈控制

针对含有参数摄动的混沌系统,讨论了鲁棒控制实现混沌Sprott-D驱动-响应系统的有限时间同步问题.通过构造适合的鲁棒反馈控制器,结合有限时间稳定性定理,给出了利用鲁棒反馈控制实现不确定混沌Sprott-D驱动-响应系统有限时间同步的结果.最后通过选取合适的系统初值和控制参数,利用MATLAB数值仿真,验证并说明了所给结论的正确性和有效性.

一类时延网络控制系统的有限时间镇定

研究了一类具有状态时延的网络控制系统的有限时间镇定问题.基于Lyapunov函数法,得到线性矩阵不等式形式的状态反馈控制器设计的充分条件,该状态反馈控制器使得网络控制系统有限时间稳定.最后,给出一个数值算例说明了该方法的有效性、可行性.

一类随机非线性系统的有限时间H_(∞)控制

本文研究一类随机非线性系统的有限时间H∞控制问题.考虑闭环系统在有限时间间隔内的瞬态性能和抗干扰能力,对伊藤型随机非线性系统进行了研究.利用Lyapunov函数和线性矩阵不等式(LMI)得到了系统满足均方有限时间有界的充分条件,进一步设计了有限时间H∞控制器,并给出了系统满足均方有限时间有界和相应H∞性能的充分条件.最后给出了两个例子验证了该方法的有效性和可行性.

一类非完整链式系统的有限时间镇定控制

针对一类三维非完整链式系统的有限时间镇定问题,提出了2种基于切换控制策略的有限时间镇定控制器,并给出了相应的控制器参数选择条件。分别应用齐次系统方法和终端滑模控制理论、根据系统各状态的变化并结合切换控制策略设计了上述控制器。系统各状态可在有限时间内从任意的非平衡位置收敛至平衡位置。最后,应用这2种控制器解决了三维非完整链式系统镇定问题并给出了具体的应用形式。通过仿真验证了所设计的有限时间镇定控制器的有效性。