基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型,采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数,避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程,同时滤除了高频测量噪声,增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路,保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项,保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性,能够实现对三维路径的精确跟踪.

基于滤波反步法的三相永磁同步电机伺服控制

为解决永磁同步电机的角度伺服控制问题.基于dq轴坐标系建立的电机控制模型,采用滤波反步法设计位置伺服控制器,通过稳定二阶滤波过程逼近虚拟控制量的导数,避免了常规反步法中对虚拟控制量解析求导的繁琐过程.通过设计滤波误差补偿环节,保证了滤波器输出信号对输入信号的跟踪精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项,保证了闭环跟踪误差的稳定性,并采用粒子群算法对控制器参数进行优化.最后,通过仿真实验结果表明了该算法的有效性,且具有较高的跟踪精度.

无人直升机鲁棒积分滤波反步法飞行控制设计

现有的无人直升机模型具有阶数高、精确建模困难、外部干扰大等缺点,因此,设计常规反步控制器面临着计算量大、抗干扰能力不足、轨迹跟踪效果差等问题.为此,文中提出了一种基于鲁棒积分滤波反步法的无人直升机飞行控制方法.该方法采用滤波器对虚拟控制量进行求导,以解决反步控制器的微分爆炸问题;通过引入积分项和不连续的鲁棒项来提高闭环系统的抗干扰能力,消除轨迹跟踪静态误差.理论分析和仿真结果表明,该方法是有效、可行的.

基于滤波反步法的光伏并网系统设计与仿真

光伏并网系统采用LCL型滤波时,系统的数学模型阶数较高,采用常规反步法设计会面临着对多个虚拟控制量逐步求导的问题,这样不仅会使计算过程繁琐,而且求导会加大测量噪声的影响,导致电流误差和输出电流的谐波增大。为解决上述问题,文章设计了一种基于滤波反步法的光伏并网系统,该方法结合李雅普诺夫稳定性理论并通过滤波器实现求导过程,显著减小了测量噪声的影响。理论分析和仿真结果表明:该方法的电流误差和输出电流的总谐波失真度(THD)小,实现了较好的并网同步效果,有较好的实用价值。

基于指令滤波反步法的再入飞行器姿态控制

针对再入飞行器,提出一类新型的简洁的指令滤波反步法,设计动态的状态反馈姿态控制器。所设计的指令滤波反步控制器中,构建积分滑模滤波器逼近虚拟控制输入及其导数,避免传统反步法中复杂的解析推导过程,解决传统反步法中“计算爆炸”问题。在闭环系统中,采用输入状态稳定性和非线性小增益定理分析并保证闭环系统的稳定性和状态信号的有界性。最后,在仿真中验证了所提出姿态控制方法的有效性。

滤波反步法在船舶航向自适应控制中的应用

船舶航向自适应控制是船舶控制领域研究的重点,近年来,随着计算机技术的快速发展,一些典型的控制算法被应用于船舶航向控制系统中。滤波反步法是一种以Lyapunov函数为基础的递归设计算法,能够有效提高自适应控制系统的鲁棒性。本文研究船舶运动方程和船舶航向控制理论,在此基础上,设计基于滤波反步法的船舶航向自适应控制器。

基于命令滤波反步法的机械臂系统固定时间自适应跟踪控制

该文在命令滤波反步法的基础上,研究了具有未知齿隙的机械臂系统的固定时间自适应跟踪控制。在传统反步法中,由于虚拟信号在每一步反步过程中都需要微分,因此大大增加了系统的计算复杂度。该文中提出的算法采用了固定时间命令滤波器,用滤波器的输出来代替传统反步法中的虚拟信号的导数,并且使用误差补偿机制来抵消掉命令滤波器产生的误差。值得注意的是,固定时间控制的收敛时间是预先确定的,无需知道系统初始值的信息。最终结果表明,被控系统的跟踪误差在固定时间内到达原点附近的预期邻域。最后,通过一个Matlab仿真案例,验证了所提的固定时间控制策略的有效性。

基于滤波反步法的无人直升机轨迹跟踪控制

针对无人直升机模型阶数比较高,设计常规反步法控制器时面临着对虚拟控制输入信号求导过程较为繁琐的缺陷,提出一种基于滤波器反步法的控制方法.首先,通过滤波器而非直接解析地对虚拟控制量求导,从而显著简化了反步控制器的设计过程,而且由于导数是通过积分过程而非微分得到,大大降低了测量噪声的影响;然后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了补偿跟踪误差是全局指数稳定的;最后,通过仿真结果进一步验证了所提出方法的稳定性和有效性.

基于自适应滤波反步法的深潜救生艇定位控制

考虑深潜救生艇动力定位系统中的参数不确定性和未知慢变干扰,利用滤波反步法设计了基于模糊系统的自适应控制规律.首先,在深潜救生艇的建模过程中考虑了推进器的动态特性,但使得系统的阶数增加;然后,为了简化控制形式,在控制器的设计中引入二阶滤波器来逼近虚拟控制信号及其导数值,避免了复杂的求导过程;最后针对系统中的耦合非线性和未知慢变干扰,设计了自适应模糊系统来对其进行估计和补偿.利用基于李雅普诺夫稳定性理论证明了跟踪误差和参数估计误差是一致最终有界的.针对某一深潜救生艇的缩小模型进行仿真实验,验证了所设计控制器的有效性.

有限时间滤波反步滑模自适应舵减摇控制

[目的]针对欠驱动船舶在未知海浪扰动下的舵减摇控制问题,设计一种基于有限时间收敛的滤波反步滑模自适应控制器。[方法]首先,针对常规反步法中微分爆炸问题,引入一阶滤波器,以避免对虚拟控制律的求导;然后,根据有限时间控制理论,通过滤波反步法与滑模自适应控制方法,设计有限时间收敛的舵减摇控制律;最后,通过李雅普诺夫稳定性理论,证明航向子系统和减摇子系统的稳定性。[结果]仿真结果表明,在不同海浪扰动下,所设计控制器使船舶能够在有限时间内追踪航向并实现减摇效果;与反步滑模控制相比,所设计控制器可改善船舶航向保持控制性能,减摇率提升了5%。[结论]所提方法可为欠驱动船舶舵减摇控制问题提供参考。

严反馈系统的指令滤波自适应反步法控制

针对控制方向未知和参数不确定/非参数化不确定下的非线性严反馈系统,论文研究一类指令滤波自适应反步法,避免传统反步法中虚拟控制的解析求导过程,解决传统反步法中“计算膨胀”问题。综合指令滤波反步法、滑模积分滤波器、非线性小增益定理和Nussbaum函数,设计满足输入状态实用稳定性条件(ISpS)的自适应控制策略。为严反馈系统的稳定跟踪控制提供一类简洁有效的控制思路。基于机翼摇晃模型实现了数值仿真,验证所提出控制策略的有效性。

船舶航向跟踪系统自适应滤波反步终端滑模控制

针对船舶航向非线性系统,提出了一种基于自适应滤波反步法的终端滑模控制器.系统由二阶非线性野本模型和舵机响应模型串联组成,考虑了模型不确定性和外部干扰等未知项,并由模糊系统对未知项进行在线逼近.首先引入二阶低通滤波器,避免了对虚拟控制律的解析求导,从而简化了反步控制器的设计,而且滤波器的低通特性可大大减小测量噪声的影响;然后利用滤波反步法的结果设计了终端滑模面,并最终得到了使系统跟踪误差有限时间收敛的终端滑模控制器.根据Lyapunov理论证明了闭环系统所有误差变量均是一致最终有界的.仿真结果验证了所提方法的有效性.

基于非线性干扰观测器的L_2滤波反步控制

针对一类多输入多输出高阶不确定非线性系统,提出一种基于非线性干扰观测器的L2滤波反步控制方法。利用非线性干扰观测器对系统的未知复合干扰进行在线估计,基于李雅普诺夫稳定性理论设计指令滤波反步控制器,避免常规反步法由于对虚拟控制迭代求导造成控制器复杂的问题,设计L2干扰抑制鲁棒控制器减弱了观测器误差对控制精度带来的影响。针对某三阶不确定非线性系统进行仿真验证。研究结果表明:非线性干扰观测器能够有效估计系统的复合扰动,且L2干扰抑制方法能够在观测器存在误差时提高控制精度。

输入受限下机器人关节神经网络自适应控制

针对机器人关节控制输入受限以及动力学模型中存在非线性摩擦、柔性变形和未知外部干扰力矩等问题,提出了一种基于径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络的输入饱和指令滤波自适应控制方法。基于指令滤波反步法,采用饱和函数约束控制输入的幅值,使用RBF神经网络在线逼近未知干扰,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的所有误差最终一致有界。仿真结果表明,控制算法不仅使系统的控制输入幅值被严格约束在规定的范围之内,完成了对目标轨迹的高精度跟踪(跟踪误差约为±0.003 rad),而且还可抵抗外部阶跃干扰力矩和建模误差对控制系统的不良影响,保证系统的高精度与强鲁棒性,性能优于PID(propotional integral derivative)控制和普通指令滤波反步控制(command filter backstepping control,CFBC),对机器人关节在高精度领域应用与智能控制具有重要价值。

Hex-Rotor无人飞行器及其飞行控制系统设计

提出了一种Hex-Rotor无人飞行器以克服现有多旋翼飞行器的欠驱动和强耦合特性对其飞行控制效果的影响,利用6个旋翼独特的结构配置来保证飞行器独立控制空间六自由度的能力。介绍了这种新型飞行器的结构特点并建立其动力学模型,引入滤波反步法与自抗扰算法设计了具有双环并行结构的飞行控制系统,在数字仿真中实现了飞行器的空间六自由度独立控制并克服了未知外部扰动以及模型不确定性带来的影响。结果显示,原型机试飞实验中,飞行器的水平位移跟踪误差不超过±4m,高度误差不超过±3m,姿态角误差不超过±0.05rad,均保持在传感器的测量误差范围内,飞行器较为准确地跟踪了期望指令。仿真和实验结果证明了该新型Hex-Rotor飞行器具有期望的六自由度独立控制能力,建立的数学模型准确,设计的飞行控制系统能够实现轨迹与姿态跟踪飞行。

状态受限的小小型型无人直升机轨迹跟踪控制

无人直升机模型阶数比较高,设计常规反步控制器面临繁琐的对虚拟控制输入信号求导过程.针对此问题,设计了一种基于滤波器的反步控制方法.该方法通过滤波器而非直接解析地对虚拟控制量进行求导,从而显著简化了反步控制律的计算过程.在滤波器设计过程中,通过限制中间虚拟控制信号的幅值,变化速率以及带宽,以满足系统对状态变量及控制输入信号的约束要求.李雅普诺夫稳定性分析证明了直升机补偿跟踪误差全局指数稳定.仿真研究验证了该方法的有效性.

基于领航者的多UUV协调编队滑模控制

针对多无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)编队控制易受外界环境扰动的问题,本文提出一种基于领航者的鲁棒滑模编队控制方法。该方法采用滤波反步法设计控制器,使领航者跟踪期望路径。为了使跟随者能够更好地跟踪上领航者,利用领航者的位置与速度信息进行编队控制器设计,增加系统的鲁棒性的同时,分别对跟随者的纵向速度误差和横向速度误差进行了积分滑模面的设计。仿真结果表明:针对外界环境扰动及参数的不确定性,本文所提出的鲁棒性的滑模编队控制器是切实有效的。

一种小型无人直升机轨迹跟踪控制方法

针对小型无人直升机不稳定、非线性、强耦合的特点,提出了一种基于滤波反步法的轨迹跟踪控制方法。首先对小型无人直升机的动力学模型进行等效变换,使系统的未知参数满足线性参数条件;然后利用反步法对其轨迹跟踪控制器进行设计;最后通过滤波器间接对中间虚拟控制信号进行求导,简化反步法的计算过程,同时运用Lyapunov稳定性理论证明补偿跟踪误差的全局指数稳定性。通过数值仿真对所设计的控制方法进行了验证,结果表明,基于滤波反步法设计的无人直升机轨迹跟踪控制方法具有良好的控制性能和较强的鲁棒性。

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.

基于迭代学习的柔性关节机械臂鲁棒输出跟踪

针对柔性关节机械臂的输出反馈跟踪控制问题,提出了基于迭代学习观测器(iterative learning observer,ILO)的鲁棒控制策略。本文对柔性关节机械臂进行数学建模,分析了系统不可测状态和模型不确定性对跟踪控制精度带来的影响。设计了ILO对系统的内部状态和由模型不确定性引起的复合扰动进行在线估计,设计滤波反步控制器完成对输入指令的跟踪。利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环控制系统的全局稳定性。仿真结果表明,提出的方法能够有效实现柔性关节机械臂的输出反馈跟踪控制,获得较高的跟踪精度,且对于模型不确定性具有较强的鲁棒性。