无人直升机的自适应动态面轨迹跟踪控制

针对无人直升机模型阶数较高、负载变化大等问题,提出了一种基于自适应动态面的控制方法.该方法用一阶线性滤波器来估计虚拟控制信号的导数,显著简化了控制器的设计过程.此外,通过对无人机重量的自适应在线估计,保证了闭环系统在有负载变化下的稳定性,并基于李雅普诺夫稳定性理论,证明了轨迹跟踪误差半全局一致最终有界.最后,通过仿真实验进一步证实了该方法的有效性和可行性.

具有磁滞输入的可调金属切削系统鲁棒自适应动态面控制

针对既有时滞环节又存在磁滞输入的可调金属切削系统,提出了一种改进的自适应动态面控制方法,其特点为:1)设计了带有跟踪误差性能指标函数的鲁棒自适应动态面控制算法,并结合神经网络,使其能够保证系统的跟踪误差及其过渡过程在预先任意给定的范围内;2)克服了反推控制方案中的"微分爆炸"问题,简化控制器结构;3)估计神经网络权值向量的范数而不是估计权值向量,极大地减少系统的计算负担,便于实时控制.仿真结果验证了该控制方法的有效性.

船舶航向非线性系统自适应动态面控制器设计

针对船舶航向控制非线性系统模型中存在的不确定性和外界干扰的影响,采用动态面控制算法设计了一种鲁棒自适应控制器。由于在反步法设计过程中加入了一阶低通滤波器使得该方法无需对模型非线性多次微分,因而设计方法简单。所设计的鲁棒自适应控制器不仅能保证闭环系统的半全局渐近稳定,使得输出渐进跟踪期望轨迹;而且,跟踪误差可以通过控制器的设计参数加以调整。以中远集装箱船COSCO Shanghai号为例进行仿真研究,结果证明所设计的控制器是有效的。

流量控制式ECHPS系统的自适应动态面控制策略

针对商用车普遍采用的液压动力转向系统(HPS)助力特性不可变的缺点,提出了一种旁通流量控制式电控液压转向系统。设计了这种转向系统的助力控制策略,研究其核心部件电液比例阀的结构原理和数学模型,采用动态面控制方法设计了一个鲁棒自适应动态面控制器。理论推导证明所设计的控制器不仅能够保证闭环系统半全局渐近稳定,输出渐近跟踪期望轨迹,而且对于系统不确定参数和外界干扰具有较强的鲁棒性。仿真结果表明,所设计的自适应动态面控制器不仅响应快、跟踪效果好、控制精度高,而且能够实现汽车低速时的转向轻便性和高速时的良好路感要求。

基于自适应动态面方法设计的TCSC控制器

针对带有TCSC的单机无穷大母线系统的三阶模型,在考虑阻尼系数未知的情况下,利用自适应动态面方法设计控制器,并获得自适应参数替换律.此设计方法由于加入了2个低通滤波器,既避免了传统的逆推算法对模型的不确定性反复多次求导,又避免了因"微分项的爆炸"引起的算法复杂性,从而简化了算法.所设计的鲁棒自适应动态面控制器保证了闭环系统的半全局渐进稳定并且使得输出跟踪所期望的轨迹.仿真研究结果表明了所设计的控制器的有效性和可行性.

含TCSC装置的单机无穷大电力系统的非线性自适应动态面鲁棒控制

针对含晶闸管控制串联电容器装置的单机无穷大电力系统,考虑摩擦阻尼系数不确定及受外部未知干扰的情况,基于非线性自适应动态面控制方法,设计了鲁棒控制器,同时得到了系统不确定参数的自适应更新律以及系统稳定运行的充分条件.采用该方法避免了传统自适应backstepping法中对虚拟控制输入的反复求导,克服了计算量过大的缺点.数值仿真结果表明,所设计TCSC非线性自适应动态面鲁棒控制器在系统动态响应和不确定参数的估计性能方面优于传统的自适应backstepping鲁棒控制器,提高了电力系统的动态稳定性.

高速列车的自适应动态面速度位移跟踪控制

针对列车运行控制中对目标速度和位移的跟踪控制问题,建立了考虑牵引与制动转矩产生动态过程的高速列车运行模型,提出了高速列车的自适应动态面控制算法,在消除"计算爆炸"问题的同时,可以实现对目标速度和位移的高精度跟踪。设计了自适应动态面控制律,将不确定的运行阻力、未知的粘滞摩擦系数以及未测量状态等构成的不确定项看作系统的“总扰动”,并引入扩张状态观测器进行在线估计,扩张状态观测器产生的估计误差由虚拟控制信号中的鲁棒项来补偿,未知参数由自适应律估计得到。基于Lyapunov方法证明了闭环系统是稳定的,稳定状态时,高速列车的位移跟踪误差可以任意小,速度跟踪误差能收敛到零。仿真结果证明了算法的有效性。

输入受约束的高速列车鲁棒自适应动态面控制

实现高速列车对期望速度与位移的精确跟踪至关重要。考虑输入饱和约束以及由于不确定的运行阻力、未知的黏滞摩擦系数和未测量的运行状态等引起的系统不确定性,提出高速列车的鲁棒自适应动态面控制算法。建立考虑牵引与制动转矩产生动态过程的高速列车动力学模型;引入扩张状态观测器在线估计和补偿系统总的不确定性,应用跟踪微分器代替动态面控制中的一阶滤波器,构造附加系统处理输入约束问题,设计了高速列车的鲁棒自适应动态面控制律;基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性以及高速列车速度跟踪误差和位移跟踪误差的半全局一致最终有界性。仿真结果验证了所提算法的有效性。

船舶航向非线性系统的自适应动态面控制

针对船舶航向控制非线性系统模型中存在的不确定性和外界干扰的影响,采用动态面控制算法设计了一种鲁棒自适应控制器。由于在反步法设计过程中加入了一阶低通滤波器使得该方法无需对模型非线性多次微分,因而设计方法简单。所设计的鲁棒自适应控制器不仅能保证闭环系统的半全局渐近稳定,使得输出渐近跟踪期望轨迹;而且,跟踪误差可以通过控制器的设计参数加以调整,同时该算法还能克服可能存在的控制器奇异值问题。数字仿真结果表明,控制系统对给定航向的跟踪具有良好的动态特性,对系统的不确定性,具有较强的鲁棒性。

基于自适应动态面的航向跟踪控制器设计

针对船舶航向控制非线性系统模型中存在的不确定性和外界干扰的影响,采用动态面控制算法设计了一种鲁棒自适应控制器。由于在反步法设计过程中加入了一阶低通滤波器使得该方法无需对模型非线性多次微分,因而设计方法简单。所设计的鲁棒自适应控制器不仅能保证闭环系统的半全局渐近稳定,使得输出渐进跟踪期望轨迹;而且,跟踪误差可以通过控制器的设计参数加以调整。以中远集装箱船COSCO Shanghai号为例进行仿真研究,结果证明所设计的控制器是有效的。

火炮高平机电液伺服系统自适应动态面反演控制

针对火炮高平机电液伺服系统存在的负载惯量大、运动过程非线性特性显著、同时存在非匹配不确定性和不确定非线性、外部干扰未知等问题,提出一种自适应动态面反演控制方法。推导建立了系统的数学模型并为每阶系统设计Lyapunov函数和虚拟控制量,逐步反演得到控制律。引入动态面控制方法消除反演过程微分项的膨胀,采用自适应律实现控制过程中未知参数的在线估计,并对控制器稳定性进行了理论证明。借助ADAMS-AMESim-Simulink进行系统的联合仿真,结果表明该方法能实现高平机快速上行与下行,压力波动较小,获得了较好的动态跟踪精度,稳态误差满足要求,具有较强的鲁棒性。

基于模糊不确定观测器的四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性的四旋翼飞行器,提出了一种基于模糊不确定观测器(Fuzzy uncertainty observer,FUO)的自适应动态面轨迹跟踪控制方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、姿态角和角速率三个动态子系统,使得各子系统虚拟控制器能够充分考虑欠驱动约束;采用一阶低通滤波器重构虚拟控制信号及其一阶导数,实现四旋翼跟踪控制设计的迭代解耦;设计了一种模糊不确定观测器,用以估计和补偿未知外界扰动与系统不确定性,从而确保闭环系统的稳定性和跟踪误差与其他系统信号的一致有界性.仿真研究验证了所提出的控制方法的有效性和优越性.

四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.

基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制

针对速度不可测的三自由度欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题,考虑船舶存在模型参数不确定项以及外界环境干扰未知情况,提出一种基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制策略.该策略构造扩张观测器估计船舶速度向量,利用神经网络算法逼近模型参数不确定项,然后采用动态面控制技术避免对虚拟控制律直接求导,简化控制律计算过程,并引入低频增益学习技术消除外界扰动导致控制信号产生高频振荡,最后选取李雅普诺夫函数证明该控制律能够保证船舶跟踪闭环系统中所有误差信号一致最终有界.仿真结果表明,本文所设计控制器对船舶模型参数不确定项及外界环境干扰具有较强的鲁棒性,能够实现对船舶轨迹的有效跟踪.

控制方向未知的无人帆船自适应动态面航向控制

针对四自由度无人帆船存在模型不确定、控制方向和外部环境扰动均未知的情况,本文提出一种神经网络自适应动态面航向控制方法。该方法采用RBF神经网络逼近无人帆船模型不确定部分,利用Nussbaum函数处理系统的未知控制增益函数,并设计σ-修正泄露项的参数自适应律对神经网络逼近误差与外界环境扰动总和的界进行估计,同时引入动态面方法,消除反演法中的"计算膨胀"问题,降低控制器的复杂性。Lyapunov函数稳定性分析证明所设计控制器能够保证航向保持闭环系统内所有信号的一致最终有界性,并通过一艘12 m型无人帆船模型进行仿真验证。结果表明:无人帆船航向保持响应速度快,所设计的控制器能有效地处理模型不确定项和风浪等外界扰动,具有较强的鲁棒性。

非线性系统死区输入的自适应动态面控制

为实现对具有未知死区输入的非线性系统的跟踪控制,提出一种基于扩张状态观测器的自适应动态面控制算法。采用扩张状态观测器代替函数逼近器在线估计反演法每一步中的不确定函数,基于反演法技术构造自适应动态面输出反馈控制器,通过跟踪微分器来消除传统反演控制算法计算负荷大的问题,并给出稳定性证明。对所提出的控制方法进行仿真验证,结果表明该算法跟踪效果较好,鲁棒性和抗干扰能力较强。

非线性时滞系统自适应模糊动态面控制

针对未知非线性系统控制器设计过程中引入逼近器过多的问题,提出一种简化的自适应模糊动态面控制器设计方案。在控制器设计过程中,仅采用一个模糊逻辑系统作为逼近器,使得所有的未知项得到补偿,同时采用自适应技术在线辨识未知参数和逼近误差上界。文中的控制方案克服了传统back-stepping控制器中"复杂性膨胀"的问题。通过构造合适的Lyapunov函数,证明闭环系统的所有信号为半全局最终一致有界。仿真实例验证所提出的控制方案的有效性。

输入受限的Buck型直流变流器自适应动态面控制

采用自适应动态面设计控制器,对输入受限、负载不确定的Buck型直流变换器模型进行控制.引入一阶滤波器,解决了传统反步法中方程项数的膨胀和复杂求导问题;引入一个辅助控制变量,保证系统在指定范围内输入,从而得到有效的控制器设计方案.李亚普诺夫稳定理论证明了该闭环系统是一致最终有界的,跟踪误差收敛在原点附近较小邻域内.仿真结果验证了控制器性能有效.

基于非线性观测器的自适应动态面制导控制一体化设计研究

针对导弹飞行末段制导控制一体化设计中目标加速度信息难以直接测量的问题,提出了一种基于非线性观测器的自适应动态面控制方法。通过充分利用导弹中便于测量的信息,设计非线性观测器来估计目标加速度。在建立平面内制导控制一体模型的基础上,构建视线角速率动态面,采用自适应控制方法得到虚拟控制量,进而得到制导控制一体化控制律,并对其稳定性进行了验证。仿真导弹拦截三种目标运动形式的飞行弹道,进行了蒙特卡洛打靶试验,而后与未补偿目标加速度信息的自适应动态面控制方法进行对比分析,结果表明该控制方法能够有效削弱末段失稳现象。

基于全驱系统方法的高阶严反馈系统时变输出约束控制

针对输出受不对称时变约束的不确定高阶严反馈系统,提出一种基于全驱系统方法的高阶自适应动态面输出约束控制方法.所研究的高阶严反馈系统,每个子系统都是高阶形式,通过非线性转换函数将原输出约束系统转换为新的无约束系统,从而将原系统输出约束问题转化为新系统输出有界的问题.进一步结合全驱系统方法和自适应动态面控制,直接将每个高阶子系统作为一个整体进行控制器设计,而不需要将其转化为一阶系统形式,有效简化了设计步骤;同时通过引入一系列低通滤波器来获得虚拟控制律的高阶导数,以代替复杂的微分运算.基于Lyapunov稳定性理论证明闭环系统所有信号是一致最终有界的,系统输出在满足约束的条件下能有效跟踪期望的参考信号,且可通过调整参数使得系统跟踪误差收敛到零附近的足够小的邻域内.最后,通过对柔性关节机械臂系统进行仿真,验证了所提出控制方法的有效性.