基于模糊滑模反步控制的自动装卸钻杆机械臂轨迹跟踪研究

针对现有矿井自动装卸钻杆机械臂运动轨迹跟踪方法精度低而导致施工效率低下的问题,综合应用模糊滑模控制与反步控制理论,提出模糊滑模反步控制钻杆机械臂轨迹跟踪法。采用扰动观测器对扰动信号进行估算,采用模糊理论描述滑模面与运动点的广义距离,以降低滑模控制中由速度瞬变所引起的抖振,并采用模糊滑模反步控制法对由系统扰动造成的误差进行补偿。针对钻杆机械臂的两个重要关节进行了运动仿真与试验测试。结果表明:两个关节的轨迹跟踪误差比模糊滑模控制分别减小了28.2%和22.6%。模糊滑模反步控制法有效降低了钻杆机械臂关节运动轨迹误差,极大提高了运动稳定性和响应能力。

基于NNDO滑模反步法的中密度纤维板板厚控制研究

针对中密度纤维板板厚纠偏位置伺服系统存在参数的不确定性以及系统外部的干扰等因素引起的板厚偏差问题,提出了一种基于NNDO的滑模反步控制方法。结果表明:加入NNDO的滑模反步控制可以实现对位置信号的快速跟踪,跟踪误差的收敛速度也更快,减弱了滑模反步控制器的控制输入抖振问题,改善了闭环系统的动态性能和对于干扰的鲁棒性,提高了控制器的控制性能。

形状记忆合金驱动器的自适应滑模反步控制

形状记忆合金(SMA)作为一种智能材料,相对于传统的驱动器具有功率重量比大、驱动电压低、质量轻、干净、无噪音等特性,被广泛应用在各领域.然而,非线性、迟滞、时变等因素影响了形状记忆合金的控制精度,限制了它的应用.为此,本文提出了自适应滑模反步控制方法,用于解决精确控制问题.文中首先搭建了实验装置,建立了形状记忆合金的机理模型;然后,采用最小二乘算法辨识了模型参数;最后,基于机理模型设计了自适应滑模反步控制器.实验结果表明,本文提出的方法具有动态响应快、跟踪精度高和抗干扰能力强的特性.

无人直升机吊挂系统滑模反步减摆控制

无人直升机吊挂系统可运输较大体积和质量较大的货物,在军事和民用领域都有着广泛应用。在无人直升机吊挂飞行过程中容易受到外部未知干扰的影响,导致闭环系统控制性能变差,从而引起吊挂负载振荡,威胁到直升机的飞行安全。本文基于对吊索为刚体的假设,给出无人直升机刚体吊挂非线性动力学模型。首先,通过滑模反步法解算出使吊挂负载摆角稳定所需的直升机平面飞行速度,然后,设计跟踪控制器对直升机平面飞行的速度和姿态进行跟踪控制,使吊挂负载的摆角稳定在平衡位置。仿真结果表明,所设计的滑模反步减摆跟踪控制器是有效的。

永磁同步电机的自学习滑模反步抗扰控制

针对永磁同步电机(PMSM)速度跟踪控制问题,设计了一种自学习滑模反步抗扰控制方法。该方法设计了基于类Sigmoid函数的改进型跟踪微分器(TD)用于对输入信号和虚拟控制信号进行滤波,避免了对信号反复解析求导产生的微分爆炸问题,并设计了扩张状态观测器(ESO)用于对外界负载扰动进行实时观测估计和补偿。为了削弱抖振和提高系统的自适应能力,利用非线性光滑函数设计滑模趋近律并使用最速下降法对增益参数进行自学习镇定。通过基于Lyapunov和Barbalat的理论分析验证了系统的稳定性,仿真结果证明了该控制方法的有效性,且其具有较高的控制精度和抗扰能力。

改进扰动观测器的IM自适应滑模反步控制

针对内外部扰动问题,设计自适应滑模反步控制(ASMBC)的方法来调节异步电机速度。首先,提出了一种用自适应律改进趋近律的反步滑模控制方法,加快电机系统的动态响应速度并抑制滑模控制中的抖振现象;然后,为了消除传统扰动观测器中由于积分项累积带来的超调现象,采用饱和函数改进扰动观测器,用以估计电机内部参数的变化和外部扰动并减小超调;最后,将所设计的控制器与反步滑模控制(SMBC)等方法对比,实验结果表明该方法动态过程响应速度快、超调小,稳态过程跟踪精度高,并且具有良好的抗干扰能力。

非线性主动悬架自适应滑模反步控制研究

针对主动悬架系统非线性特性和系统参数不确定性的问题,提出了一种非线性主动悬架自适应滑模反步控制算法。基于主动悬架非线性特性的问题,建立二自由度1/4非线性主动悬架模型。同时,在考虑主动悬架系统参数不确定性的条件下,在反步控制理论的基础上,结合滑模控制与自适应控制,提出了一种自适应滑模反步控制策略.为了验证本文所提出的自适应滑模反步控制器的控制效果,在Simulink中建立控制器仿真模型,对二自由度1/4非线性主动悬架进行仿真实验。仿真结果表明,与被动悬架相比,本研究所提出的控制策略,车身垂向加速度均方根值减小了70%左右,轮胎动变形均方根值减小了10%左右,结果表明车辆稳定性得到优化,不仅能够解决悬架系统参数不确定性问题,而且有效提高了悬架系统性能,改善了车辆运行过程中的平顺性和乘坐舒适性。该研究对主动悬架的控制研究具有重要意义。

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

基于扰动观测器的PMSM系统自适应反步滑模控制

针对负载转矩波动和系统参数变化的永磁同步电机(PMSM)系统的控制问题,提出了一种带有非线性扰动观测器的自适应反步滑模位置跟踪控制方法。首先,设计了自适应反步滑模控制器,以确保电机位置快速收敛到期望值,并设计了自适应收敛增益,以减小电机位置响应下的大的过冲;其次,设计非线性扰动观测器估计未知扰动,并为自适应反步滑模控制提供前馈补偿,以提高系统的鲁棒性,并减少稳态位置误差。仿真结果表明,该方法可以有效减少过冲,很好地实现了PMSM系统的快速位置跟踪控制,具有良好的抗扰动性能。

基于混合扩张状态观测器的农田平地机液压系统反步滑模控制研究

为解决农田平地机液压系统在复杂地貌平地作业时控制精度低、抗干扰能力差等问题,设计了一种基于混合扩张状态观测器(HESO)的反步滑模控制器。其中,HESO基于输出反馈信号估计系统未知状态和总扰动,并在前馈通道中进行扰动补偿;基于快速趋近律设计的反步滑模控制器输出连续光滑的控制量,增强了系统鲁棒性,克服了系统非线性与参数不确定性问题;通过Lyapunov稳定性理论对所提出的观测器和控制器稳定性进行验证,得到误差一致有界稳定结论;通过AMESim和Matlab/Simulink联合仿真与田间试验对本文控制算法的有效性和优越性进行了验证。在两条地貌情况较为复杂波浪地中单次平地和地貌情况较为相似的两田块进行3次遍历试验表明,使用本文控制方法,平地后高程相较于平地前标高的平均绝对误差、最大绝对误差、绝对误差标准差分别为0.053、0.146、0.037 m和0.02、0.041、0.011 m,较PID算法分别降低36.35%、28.32%、31.37%和62.6%、50%、51.83%。

基于微分平坦的板球系统反步滑模控制

为改善板球系统轨迹跟踪控制误差大,控制精度低的问题,提出了一种基于微分平坦的板球系统反步滑模控制方法。首先基于欧拉-拉格朗日方程建立板球系统的运动学模型,通过合理简化得到解耦线性状态空间模型。以X轴方向控制器设计为例,利用微分平坦技术获得系统的目标状态量以及前馈控制量,建立误差系统,进而采用反步法实现对误差系统的滑模控制,利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。算法中使用双曲正切函数抑制滑模的抖动,实现了对板球系统的轨迹高精度跟踪控制。仿真实验结果表明,该方法控制精度高,具有良好的控制效果。

基于扩张状态观测器和抗饱和输入的伺服电机等效反步滑模控制

为了提高伺服电机系统的动态响应速度、抗干扰能力,解决输入饱和的问题,课题组基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)和抗饱和输入(anti-saturation input,ASI)辅助系统设计了伺服电机的运动控制方案。首先,建立了伺服电机的数学模型,将系统阻尼和系统不确定性归为扰动,将扰动设为系统的扩张状态;然后在等效反步滑模控制(backstepping sliding mode control,BSMC)的基础上,引入了ASI辅助系统和ESO,解决输入饱和问题,并抑制内、外干扰;采用双曲正切饱和函数替换符号函数以减小滑模控制的抖振;通过李雅普诺夫稳定性方法检验所提出控制器的稳定性。最后,将基于ESO和ASI的等效反步滑模控制与比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制、滑模控制(sliding mode control,SMC)进行仿真对比。结果表明:相较于传统PID和SMC控制器,课题组所设计的控制器可以实现伺服电机的无超调快速响应,解决了输入饱和问题,并具有较好的抗干扰能力和减小输入冲击的作用。

基于反步滑模方法的车辆纵向自适应控制

车辆纵向控制是自动驾驶研究的关键技术之一,建立了复杂的车辆纵向动力学模型,设计了合适的控制算法,并构造了控制器,提升了控制性能。首先,在考虑道路倾角、轮胎形变和车轮滑动等影响因素的基础上,建立了复杂的车辆纵向动力学模型;然后,综合运用自适应方法和反步滑模控制方法对所建模型设计控制器,并对控制系统的稳定性作了证明;最后,采用MATLAB/Simulink软件对控制系统进行仿真分析。研究结果表明:通过自适应反步滑模方法设计的控制器具有较好的稳定性,能够控制车辆以极小的误差以期望速度行驶。研究成果可为车辆自动驾驶及交通拥堵的缓解提供技术支撑。

基于多模式加速及反步滑模的航空发动机压气机压力模拟方法

在航空发动机硬件在环仿真试验中,压气机出口压力模拟是一个重要的环节。为模拟压气机失稳过程中的气流突变现象,需要设计一种高精度的压力模拟系统,通过该模拟系统生成真实压力信号为全权限数字发动机控制器提供准确的压力激励。根据开关阀特性提出多模式加速切换策略,设计加速驱动波形及生成方法,结合现场可编程门阵列模块精确输出加速波形,提高开关阀启闭速度;在传统三模式与五模式切换的基础上设计七模式切换方法,结合反步滑模控制方法提高控制精度并证明了控制系统的稳定性。研究结果表明:在稳态压力测试中最大平均超调量为1.25%,最大平均稳态误差为0.016 MPa;在随机阶跃响应试验与正弦跟踪试验中仅有低于0.02 MPa的平均误差;压力模拟方法可满足航空发动机硬件在环仿真试验的高精度压力模拟需求,低成本的实现精准模拟压力。

基于逆系统解耦的三电平Buck变换器反步滑模控制

多电平变换器因其可以降低开关管承受的电压应力、减小滤波电感和滤波电容体积,被广泛应用在直流微电网中。三电平Buck变换器的飞跨电容电压和输出电压存在耦合,是一个多输入多输出、强耦合的非线性系统。针对这一问题,提出一种逆系统解耦反步滑模控制方法。采用逆系统方法实现输出电压控制和飞跨电容电压控制的解耦,采用反步滑模法控制保证输出电压的稳定性和鲁棒性,通过状态反馈控制将飞跨电容电压平衡在输入电压的1/2处。仿真和实验结果表明,所提控制策略能使得飞跨电容电压和输出电压均具有良好的稳态和动态特性。

四旋翼非奇异反步终端滑模姿态抗干扰控制

针对干扰下的四旋翼姿态系统快速收敛问题,设计了非奇异反步终端滑模姿态控制器。在外部干扰作用下,姿态系统中的误差变量从初始位置起,全局有限时间收敛至平衡点。基于牛顿-欧拉方法建立四旋翼动力学模型。四旋翼系统采用双环控制策略。姿态内环设计幂指数型时变增益趋近的非奇异反步终端滑模控制器,从而避免了传统终端滑模的奇异现象且使得在外部干扰下系统状态有限时间内收敛。仿真中,外部干扰下采用所设计的四旋翼的控制效果和误差收敛速度与反步滑模(BS-SMC)相比得到明显提高。飞行实验中应对外部干扰也具有较好的姿态表现。通过仿真和飞行试验验证所设计的幂指数型时变增益趋近的非奇异反步终端滑模姿态控制方法的鲁棒性。

基于反步滑模法的输电线路巡检四旋翼无人机控制器研究

针对输电线路传统巡检效率低及准确率低的问题,笔者以四旋翼无人机作为研究对象,建立用于电力巡检的四旋翼无人机的数学模型,采用反步滑模控制方法,设计了无人机的位置控制器和姿态控制器,并与普通滑模控制方法作对比,通过MATLAB软件对上述方法进行仿真验证。结果表明,采用反步滑模法设计的无人机位置控制器和姿态控制器具有更强的鲁棒性,面对外界恶劣天气干扰依然能高效对电力线路进行巡检。

单相光伏并网逆变器的反步滑模控制策略

为了克服光伏并网逆变系统受外界干扰和系统参数的不确定性等多种因素的干扰,以逆变器的输出滤波电容电压及其导数为状态变量,将反步法和滑模控制相结合,提出了基于反步滑模控制的光伏并网逆变器控制策略。推导了具有参数不确定和外界干扰情况下的逆变器的反馈控制律。为了获取光伏阵列的全局最大功率点(maximum power point,MPP),提出了一种基于改进粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)的最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)方法,将占空比分为两部分进行初始化,建立了光伏阵列运行功率与占空比之间的线性关系。仿真和试验结果验证了所提控制策略的有效性。

单相电压型全桥逆变器的反步滑模控制策略

为克服单相电压型全桥逆变器系统中不确定性和外界干扰对控制性能的影响,提出了一种新型单相电压型全桥逆变器非线性控制策略。以输出滤波电容电压及其导数为状态变量,建立了逆变器连续数学模型,并进一步得到具有严参数反馈形式的系统非精确数学模型;在此基础上,将反步法和滑模控制相结合,提出了单相电压型全桥逆变器的反步滑模控制策略,可实现系统全局意义下的渐近稳定,有效地克服了反步法对系统模型的依赖性。实验结果表明,当存在不确定参数和外界扰动时,采用所提出的控制方法,系统输出无静差、输出电压谐波含量很少,对直流电压源扰动和负载扰动具有很强的鲁棒性,且同时适用于线性和非线性负载。

基于反步滑模变结构的PMSM速度控制

针对永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)矢量控制系统中速度控制精度受电机参数变化和负载波动影响问题,将研究基于反步滑模变结构PMSM速度控制器。结合反步控制能将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数子系统和滑模变结构控制不需要确定参数的优点,通过选择合适的控制律和滑模面设计了一种具有抗外部扰动控制性能的反步滑模变结构速度控制器。运用Lyapunov稳定性理论对所设计的速度控制系统进行了稳定性分析。仿真和实验结果表明所设计的速度控制器能有效降低电机参数变化和负载波动对速度控制精度的影响并具有良好的系统鲁棒性。