控制方向未知的多智能体系统有限时间预设性能控制

研究了一类具有多个未知且非相同控制方向的多严格反馈系统在有限时间内预设性能控制问题。为了方便证明,将整个系统稳定性的证明转化为对子系统误差有界性的证明,简化了设计与分析过程。此外,通过命令滤波技术避免了传统反推法中对虚拟控制量的求导。所设计的分布式控制器可以保证邻域误差在规定的边界内演化,并且可以任意设定收敛时间,即在规定的时间内收敛到预先设定的任意小的邻域内,提高了系统的稳态与瞬态性能。最后,通过一个数值仿真验证了所提控制器的有效性。

永磁同步电机有限时间预设性能控制

为实现扰动作用下对永磁同步电机角位置伺服系统的高瞬态和稳态跟踪性能控制,本文提出一种具有预设性能约束的有限时间控制方法.首先,设计扰动观测器实现对负载力矩扰动的估计与补偿.其次,引入有限时间预设性能函数以保证角跟踪误差的动态性能,并通过可逆变换将受不等式约束的角位置跟踪误差转换为等效的无约束误差形式.然后,将有限时间指令滤波反步法应用于控制器设计中,不仅可以避免“微分爆炸”的现象,而且能够保证跟踪误差的有限时间内收敛.最后,通过仿真实验验证了该算法的有效性和对扰动的鲁棒性.

直线步进电机的有限时间预设性能控制器设计

针对直线步进电机的跟踪控制问题,给出了一种新的控制方案,将电机的动力学方程转换为4阶状态方程组,引入有限时间预设性能函数,结合反步法,进行控制器设计,提高了系统的暂态性能和稳态性能,同时,保证电机闭环系统在平衡点处是渐近稳定的。实验结果证明,采用提出的控制方案,电机动子能够较好地跟随参考信号运动,验证了该控制器的可行性和有效性。

欠驱动水下机器人三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制

本文研究了具有不确定动态和未知时变海洋环境扰动的欠驱动水下机器人(AUVs)三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制问题,提出新型预设性能函数和误差映射函数,将受预设性能限制的轨迹跟踪误差转变为非受限的变换后误差;构造新的超螺旋(ST)扩张状态观测器,在有限时间内实时估计AUV不确定动态和未知时变海洋环境扰动引起的总扰动;基于上述,设计新的ST控制律,实现了欠驱动AUV三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制.理论分析证明了最终的AUV三维轨迹跟踪闭环控制系统的稳定性,仿真及仿真比较结果验证了所设计控制律的有效性和优越性.

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.

无关初始跟踪条件的自抗扰预设性能有限时间容错控制

针对一类具有执行器故障的非仿射纯反馈非线性系统,研究无关初始跟踪条件的自抗扰预设性能有限时间容错跟踪控制问题.对无关初始跟踪条件的预设性能控制进行改进,设计无关初始跟踪条件的自抗扰预设性能有限时间容错控制器.仿真研究结果表明该文控制器具有有效性.

导引头稳定平台离散时间预设性能控制

针对现有离散时间预设性能控制方法对滑模趋近律依赖度高、抖振缺陷明显的难题,通过创建一种摆脱了滑模控制的设计新框架,为拦截弹导引头稳定平台提出了一种离散时间预设性能控制新方法。首先,设计一种离散时间性能函数对跟踪误差的收敛轨迹进行包络约束;然后,定义一种离散时间转换误差并将其用于构造一种新颖的反馈函数;设计离散时间控制律对新开发的反馈函数而不是转换误差进行镇定,不仅保证了所有跟踪误差均具有期望的预设性能,还摆脱了控制算法对滑模趋近律的依赖性,从根本上解决了控制抖振难题;最后,通过数值对比仿真验证了所提方法的有效性与优势。

基于自适应RBF神经网络具有模型不确定性的四旋翼无人机指定时间预设性能控制方法

四旋翼无人机具有强耦合和欠驱动的特点,在飞行过程中很容易受到外界干扰,进而影响整个无人机系统的稳定性和精度。为此,提出了一种基于RBF神经网络的指定时间预设性能约束控制策略。首先,针对四旋翼无人机的不确定数学模型难以精确建立,并且在执行任务过程中存在外部未知扰动问题,提出了一种基于指定时间预设性能控制方法,将四旋翼无人机的轨迹跟踪问题转换为对位置子系统和姿态子系统的期望指令跟踪问题;其次,在设计控制器过程中,为了解决“微分爆炸”问题产生的滤波器误差,引入一种新型滤波误差补偿方法,通过RBF神经网络逼近外部未知扰动,并将预测结果补偿给控制器以提高轨迹跟踪的鲁棒性。最后,应用仿真模拟方法验证无人机控制系统稳定性和性能优势,通过飞行试验验证,微风聚拢环境下实际飞行轨迹与仿真模拟结果趋于一致,自主轨迹跟踪起降位置偏差小于1 cm,证明了所提出算法的有效性。

预设时间性能约束下高超声速飞行器的自适应容错控制

考虑输出误差约束、不确定和执行器故障影响下的高超声速飞行器的跟踪控制问题,提出自适应容错反步控制策略。首先,设计指数型预设时间性能函数,保证输出误差在预设时间内满足约束要求。其次,通过自适应律解决不确定项和升降舵故障。利用跟踪微分器解决“计算爆炸”问题,避免反步控制中对虚拟控制输入的高阶求导。最后,基于Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性,并通过仿真验证所提控制策略的有效性。

高超声速变外形飞行器建模与固定时间预设性能控制

以一种折叠式高超声速变外形飞行器(Hypersonic morphing vehicle, HMV)为研究对象,综合考虑变形引起的气动特性、动力学特性的动态变化和模型不确定性、外部干扰的影响,开展飞行器建模与固定时间预设性能控制方法研究.首先,建立高超声速变外形飞行器的运动模型和姿态控制模型;然后,采用固定时间干扰观测器实现对模型不确定性和外部干扰构成的复合总扰动的精确估计,并设计一种新型固定时间预设性能函数以定量描述期望性能约束,在此基础上,基于预设性能控制架构并结合动态面控制技术设计预设性能姿态控制器,利用Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的固定时间稳定性;最后,通过数值仿真验证所提出方法的有效性和鲁棒性.

四旋翼悬挂负载系统预设有限时间H_∞容错控制

在实际飞行中,四旋翼飞行器悬挂负载系统容易受到负载摆动以及外部扰动的影响,且可能出现执行器故障。针对此问题,本文基于反步法设计有界H_(∞)容错控制器来抑制外部扰动并消除执行器故障的影响,利用神经网络逼近系统中负载的不确定性,同时引入预设有限时间性能函数,使得四旋翼飞行器即使在负载和外部扰动的影响下,其跟踪误差仍能被约束在预先给定的范围内。所设计的控制器能够保证系统在较精确地跟踪参考轨迹的同时具有较高的抗干扰性能。仿真验证了所设计的控制器的有效性。

具有输入饱和的柔性关节机械臂预设定有限时间控制研究

针对具有输入饱和、模型不确定以及外部扰动的柔性关节机械臂系统,提出一种自抗扰预设定有限时间跟踪控制的方法。该方法通过引入性能函数,将机械臂系统的跟踪误差限制在预定的边界,并通过一阶动态系统来逼近输入饱和函数,利用扩张状态观测器估计不确定性的未知函数,利用跟踪微分器获得虚拟控制信号来避免微分爆炸。控制器设计保证机械臂系统的跟踪误差在指定的有限时间内收敛,闭环系统所有信号一致有界。采用自抗扰策略使控制器具有很强的抗干扰性,然后利用MATLAB软件仿真验证了该控制方法的合理性。

考虑执行器非线性的固定时间全局预设性能车辆队列控制

针对含有执行器非线性的车辆队列控制系统,提出一种固定时间全局预设性能控制(Global prescribed performance control, GPPC)控制方法.首先,设计一种平滑等效变换,在同一框架下解决死区及饱和问题,同时消除执行器非线性固有拐点问题.其次,构造两个新型性能函数,并基于此提出一种全局预设性能控制算法,实现如下目标:1)保证跟踪误差在固定时间内收敛到预定稳态区域;2)消除初始误差必须已知的限制;3)减小误差的超调量.然后,基于上述等效变换及预设性能控制算法,设计一种固定时间滑模队列容错控制方案,实现固定时间单车稳定及队列稳定.最后,通过MATLAB仿真实验,验证了所提算法的有效性.

Buck型变换器预设时间自适应反演控制

针对存在负载变化和外界干扰的Buck型变换器系统,提出一种预设时间自适应反演控制方法,给出系统调节时间最小上界值与控制参数的直接关系,减少调参复杂度。构造二次分式型虚拟控制器,避免虚拟控制器微分引起的奇异性问题,并确保输出电压在预设时间内收敛至参考电压附近邻域。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

基于事件触发的预设时间航天器轨迹跟踪控制

针对通信受限条件下的航天器轨迹跟踪问题,提出了一种基于事件触发的预设时间控制算法。为了满足不同任务场景下对航天器快速性的要求,本文设计了一种预设时间轨迹跟踪控制算法。结合反步控制理论及预设时间动态增益,最终实现轨迹跟踪系统的预设时间收敛。作为一种典型的网络化控制系统,航天器在执行任务过程中可能会受到自身通信能力的限制,造成通信阻塞、时延和丢包等问题。为此,本文提出了一种基于动态参数的事件触发算法,在保证系统控制精度的同时,一定程度上避免了控制中心与航天器本体间不必要的通信资源消耗。相比于传统的静态事件触发算法,文中基于动态参数的事件触发算法在减少通信频率方面更具优势。通过理论分析和仿真实验验证所提控制算法的有效性。

预设性能下的输出受限船舶航向切换容错控制

针对船舶输出受限、执行器故障不确定性和受到未知海洋扰动的船舶航向控制问题,提出一种基于切换策略的自适应容错控制方案。利用对数障碍李雅普诺夫约束航向误差并将状态输出约束在有限范围内。结合预设性能理论和反步法,针对具有不确定参数和执行器故障的船舶控制系统,将健康执行器作为备用。通过设计一套监控函数来监督航向误差的动态范围,实现了在执行器故障且故障模式未知的情况下,船舶航向控制器从故障执行器切换到健康执行器,同时满足跟踪误差的收敛性及控制系统稳定性。仿真验证了所提出算法的有效性。

非线性系统无需初始条件预设性能有界H_(∞)容错控制

针对一类具有外部扰动和传感器故障的非线性系统,本文研究了其自适应预设性能有界H_(∞) 容错控制问题.本文提出一种新的预设性能控制设计方法,使得预设性能函数的选择与系统被约束变量的初始状态完全无关,用一种全新的方式解决了传统预设性能方法的控制效果依赖被约束变量初始条件的问题.基于该设计方法和有界H_(∞) 控制方法,在未知系统初始条件的情况下获得了系统的自适应预设性能有界H_(∞) 控制器.本文所设计的控制器能够保证系统中的所有信号都是有界稳定的,系统的输出变量能够被预设性能函数约束,并且对于外部干扰具有很好的抑制作用.最后,仿真结果验证了该控制器的可行性及有效性.

基于预设性能的欠驱动飞行器横侧向通道控制方法

针对高超声速飞行器横侧向通道仅通过副翼控制导致的欠驱动问题,提出一种将预设性能函数和动态面控制结合的控制方法。将横侧向欠驱动系统转化为滚转-偏航的级联控制系统;针对滚转子回路,将侧滑角指令的限幅看作控制输入饱和问题,设计预设性能函数并结合动态面控制理论设计控制策略,实现对速度倾斜角跟踪速度、瞬态跟踪误差、稳定跟踪精度的主动控制;针对侧滑角需镇定在给定范围的要求,基于限幅侧滑角指令,设计偏航子回路的预设性能函数,理论上保证侧滑角满足镇定范围要求,且能以要求的跟踪速度达到指定的跟踪精度。基于李雅普诺夫稳定原理给出了横侧向姿态控制器的稳定性证明。仿真结果表明:所提控制方法能够使得速度倾斜角以要求的跟踪速度达到指定的跟踪精度且瞬态跟踪误差满足给定的边界,侧滑角全程满足给定的限定范围,控制器具有良好的鲁棒性。

基于有限时间小超调预设性能控制的三维滑模末制导律设计

为了实现对高速机动目标的特定攻击角拦截,本文结合控制领域的新型控制方法——有限时间小超调预设性能控制设计了新型三维滑模末制导律。为了确保视线角和视线角速率能够在有限时间内收敛至期望值,通过视线角偏差和视线角速率偏差构建了线性滑模面;在趋近律设计上,基于有限时间小超调预设性能控制分别设计了视线偏航平面和视线俯仰平面的制导指令,保证跟踪误差可以按预设的收敛时间收敛,并且超调量约束在较小范围内,同时引入非线性有限时间观测器对制导指令中包含的目标加速度项进行估计,进一步提高了制导精度。通过仿真可知,本文制导律可以实现不同拦截条件下对目标的特定攻击角拦截,与现有的快速终端滑模制导律相比,可以保证滑模变量在有限时间内小超调收敛,同时实现特定角度打击,拦截机动目标时脱靶量可以控制在1 m以下,提升了系统的稳态性能和瞬态性能。

未知扰动下的无人水面艇有限时间动态预设性能控制

本文提出了一种具有动态预设性能的有限时间控制方案,用于解决具有不确定动态和未知时变海洋环境扰动的无人水面艇(unmanned surface vehicles,USVs)的轨迹跟踪问题。传统预设性能采用静态预设性能函数,当外部扰动较大时,跟踪误差有超出预设性能边界的风险。本文设计一种新型的动态预设性能函数,使得USVs跟踪误差始终保持在预设的边界内;基于齐次积分滑模面、有限时间扩张状态观测器和超螺旋积分滑模控制,提出了一种有限时间控制算法。该算法可以实现跟踪误差快速收敛和有界扰动连续补偿,提高了系统鲁棒性并削弱了滑模抖振现象。理论分析证明了USVs闭环系统的全局有限时间稳定性,仿真及比较结果验证了所设计控制方案的有效性和优越性。