基于固定时间积分滑模观测器的双闭环UUV轨迹跟踪控制

针对水下无人航行器(UUV)轨迹跟踪控制问题,设计一种基于固定时间积分滑模观测器(FTISO)的双闭环运动控制策略。建立UUV运动数学模型,对运动学外环设计积分滑模控制器,使用非线性微分器获得外环虚拟控制律的导数,以保证航行器位置能够精确收敛。考虑动力学内环存在的模型不确定性和外部干扰难以测量等问题,采用FTISO实现对集总干扰快速估计,同时引入李雅普诺夫函数分析系统的稳定性。在仿真环境下对比基于FTISO的双闭环积分滑模控制与积分滑模控制、RBF网络自适应滑模控制的控制效果。仿真结果表明:基于FTISO的双闭环滑模控制对集总干扰有良好的补偿能力,可提高控制系统的性能及精度,可保证UUV在不同环境下均能实现轨迹跟踪。

基于干扰观测器的多航天器固定时间姿态协同跟踪控制

针对受扰动下的多航天器系统姿态一致性跟踪问题,提出一种基于干扰观测器与固定时间理论的分布式姿态协同控制策略。多航天器系统在空间中易受太阳光压、重力梯度与地磁力等外部干扰影响而导致控制精度下降,此外航天器内部惯量不确定性带来的影响也不可忽视,因此设计一种基于二阶积分滑模的干扰观测器对复合干扰进行快速精确估计,且该观测器无需任何干扰先验信息。利用观测器获得的估计值,结合领导跟随法,提出一种分布式固定时间姿态协同控制器,实现系统固定时间收敛,收敛时间可通过控制参数进行调节。利用Lyapunov函数证明了系统的固定时间稳定性。仿真与对比试验结果表明,干扰观测器能在较快时间内实现对复合干扰准确估计,协同控制器能在固定时间内实现对期望姿态鲁棒跟踪,与自适应有限时间方法相比,该控制策略精度更高、收敛速度更快和燃油消耗更少。

基于扰动观测器的AUV固定时间积分滑模控制方法

针对自主水下航行器(AUV)在参数不确定性和外界干扰下水平轨迹跟踪控制问题,提出一种基于扰动观测器的固定时间积分滑模控制方法。首先将参数不确定性和外界干扰视为复合扰动,设计固定时间扰动观测器对其进行估计。然后在反步法设计框架下,结合固定时间理论和全局积分滑模控制,设计了固定时间积分滑模控制器。轨迹跟踪仿真结果表明,相比于传统滑模控制器,所设计的扰动观测器和控制器可以使位置和姿态的跟踪误差收敛至零域的速度由5.2 s缩短至约2.5 s,并且在没有观测器的帮助下跟踪误差也能收敛至稳定,具有更快的收敛速度和更高的鲁棒性。

基于扰动估计补偿的PMLSM固定时间积分滑模控制

为了提高永磁直线同步电机(PMLSM)控制系统的动态响应速度和鲁棒性,提出了一种基于扰动估计补偿的固定时间积分滑模控制(DFISMC)方法。首先,在积分滑模面的基础上,引入了一种固定时间滑模控制算法,保证系统可以在固定时间内到达平衡点。其次,设计了一种随系统状态动态调整的控制率增益函数f(s),进一步加快了收敛速度。最后,设计自适应超螺旋扰动观测器估计内部和外部不匹配扰动,并采用前馈补偿的方式将观测值引入控制律,增强了系统的抗干扰能力。仿真结果表明,DFISMC方法不仅保证了系统全局鲁棒性,而且有效提高了系统的跟踪精度和响应速度。

基于干扰观测器的永磁同步电机复合滑模控制器设计

针对永磁同步电机复合控制中的不匹配干扰问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的PMSM控制系统速度环的自适应非奇异终端滑模控制器设计。首先,速度外环采用了一个非奇异终端滑模控制器来稳定跟踪误差。接着,为了抵消不确定性的未知边界,引入了非奇异终端滑模控制器的切换项的自适应律。同时,考虑到实际永磁同步电机驱动系统的不确定性、干扰的时变特性和高带宽特性,引入非线性干扰观测器作为实时补偿器,以抵抗扰动并减少不确定性。此外,基于二次Lyapunov函数,证明了所提方法的动态稳定性。最后,通过设计数值仿真,并与传统PID控制和滑模控制进行对比,验证了该复合控制系统的有效性。

基于自适应干扰观测的连续有限时间末段突防制导律

为了提高突防导弹末段突防能力,且保证突防导弹对机动目标的打击精度,提出了一种新型突防制导律。首先,基于自适应干扰观测器估计目标加速度,所设计的观测器不仅可以在有限时间内估计出目标加速度,且无需已知目标加速度上界信息;其次,由制导误差与法向突防机动速度构造滑模面,通过机动衰减设计保证制导精度不受所附加突防机动的影响;再次,基于估计目标加速度以及突防机动连续化设计构建了制导律,该制导律不仅可保证制导误差有限时间收敛,而且连续变化;最后,考虑机动目标、拦截器和突防弹三方完成攻防对抗仿真,仿真结果证明,所设计制导律可实现高精度及强突防的制导性能。

基于干扰观测器的异构多智能体自适应滑模容错一致性控制

针对线性一阶和二阶异构多智能体系统,考虑到任意智能体可能发生的执行器故障以及受到外部干扰,研究了系统容错一致性控制设计问题.首先设计变增益扰动观测器,快速估计外部干扰;其次,利用一致性误差变量构造自适应积分滑模面,结合干扰观测器的估计值设计自适应滑模容错控制器.当异构多智能体系统存在执行器故障和外部扰动时,自适应滑模控制器可以保证智能体系统的位置和速度状态趋于一致.最后,利用Matlab仿真验证了所提方法的可行性与有效性.

基于固定时间滑模干扰观测器的AUVs事件触发编队控制

研究多自主水下机器人(AUVs)编队控制过程中存在外部未知扰动、模型参数摄动和节约控制器传输网络能耗的问题,提出一种抗扰动的固定时间相对阈值事件触发编队控制方法.首先,给出自适应固定时间积分滑模干扰观测器(AFISMDO),在固定时间内用来估计系统的复合扰动;其次,基于所设计的AFISMDO,将非线性滤波器引入到反步算法中,解决反步法多次微分求导造成计算量大的问题;然后,为了节约网络传输资源,降低控制器能耗,将相对阈值事件触发机制引入到多AUVs编队控制中,结合虚拟轨迹概念,设计固定时间分布式编队控制器,使得闭环系统是固定时间收敛的,且系统收敛时间仅取决于控制器设计参数,并通过理论推导排除Zeno现象.仿真实验结果表明,所设计的控制器是合理有效的.

飞行器再入段最优自适应积分滑模姿态控制

针对飞行器再入段的姿态跟踪控制问题,提出了一种最优自适应积分滑模控制(Optimal Adaptive Integral Sliding Mode Control,OAISMC)方法。首先针对飞行器的标称模型设计了基于状态相依黎卡提方程(State Dependent Riccati Equation,SDRE)的姿态控制器,使标称系统的性能满足提出的最优指标。然后,考虑系统的不确定性和外部干扰,在SDRE标称控制器的基础上设计积分滑模姿态控制方法,使系统在满足性能指标要求的同时,对不确定性和干扰具有鲁棒性。进一步采用自适应方法调整切换增益,避免了对复合干扰上界的先验要求,并引入滑模干扰观测器提高系统的性能。最后,仿真结果表明,在考虑外部干扰以及气动系数和大气密度摄动的情况下,本文设计的控制方法不仅能够实现姿态跟踪、满足设计的性能指标,而且具有较好的鲁棒性。

弹药传输机械臂固定时间终端滑模控制

为提高坦克弹药传输机械臂在路面激励等外界扰动下位置控制的鲁棒性,设计一种固定时间终端滑模控制器(fixed⁃time terminal sliding mode controller,FTSMC).推导含垂直基础振动的弹药传输机械臂动力学方程,将系统的基础振动处理成干扰项.采用新型固定时间收敛干扰观测器对系统不确定项进行补偿,改善了控制器的鲁棒性.结合固定时间收敛双幂次趋近律和固定时间终端滑模面设计固定时间终端滑模控制器.用Lyapunov理论证明了系统固定时间收敛特性.3种工况下的对比实验表明,设计的复合控制器对不确定性干扰具有强鲁棒性,能够对外界扰动下的弹药传输机械臂进行准确定位控制.

高超声速飞行器自适应固定时间抗饱和控制

针对参数不确定和外界干扰下的高超声速飞行器的控制问题,本文提出了一种自适应固定时间控制方法。采用反馈线性化方法对高超声速纵向动力学模型进行输入输出线性化,并基于固定时间控制理论针对该线性模型分别设计了速度和高度通道的固定时间自适应高阶滑模控制器,提高了系统的收敛速度。对于执行器饱和问题,设计了一种新型抗饱和辅助系统并引入控制器中。基于李雅普诺夫理论对所设计的控制器进行严格证明,得到了闭环系统的固定时间收敛特性。与现有文献高阶滑模控制方法进行仿真对比实验,验证了本文所设计方法的有效性和鲁棒性。

固定翼无人机自适应滑模控制

针对固定翼无人机的姿态和速度控制中存在不确定和外部扰动的问题,设计自适应超螺旋滑模干扰观测器和控制器,实现了固定翼无人机对速度指令和姿态指令的有限时间精确跟踪.首先建立固定翼无人机速度模型和基于四元数的姿态误差模型;进而在该模型的基础上针对无人机飞行过程中的外部扰动和不确定问题,采用自适应超螺旋滑模算法设计干扰观测器对干扰和不确定进行快速估计,并在此基础上设计多变量超螺旋控制器使固定翼无人机快速、精确地跟踪期望的速度和姿态指令;最后基于Lyapunov理论证明了该系统的稳定性.仿真结果表明:所提出的综合控制策略可以实现固定翼无人机速度与姿态的快速精确跟踪并具有良好的鲁棒自适应能力,而且针对无人机不同的飞行指令,使用该控制策略都能使无人机快速稳定的达到预期目标.

多智能体系统固定时间一致性积分滑模控制

本文研究了带有干扰的多智能体系统固定时间一致性控制问题.首先,基于Super-twisting(超螺旋)算法,构建可以在固定时间内消除干扰影响的积分滑模.然后,利用积分滑模提出一种新的固定时间一致性控制算法.进一步,当状态信息不可用时,通过积分滑模构造固定时间状态估计观测器,建立固定时间观测器和跟踪控制器来实现系统的一致性.通过Lyapunov稳定性理论,给出多智能体系统在受到干扰下的固定时间收敛性分析.最后,通过一些数值模拟证明本文提出的一致性控制算法的有效性.

可穿戴五自由度上肢外骨骼机器人固定时间控制

针对可穿戴上肢外骨骼系统在外部干扰及参数不确定条件下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于观测器的固定时间控制策略.首先,采用拉格朗日方法对五自由度上肢外骨骼系统的动力学模型进行面向控制处理.其次,考虑模型中存在参数不确定及外部干扰,基于改进超螺旋算法设计了固定时间干扰观测器,实现对系统干扰的实时估计,完成对控制器的在线补偿;在此基础上,设计了非奇异终端滑模固定时间控制律,保证外骨骼关节角度跟踪误差在固定时间内收敛至原点.再次,基于Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性.最后,通过对比和数值仿真结果证明所提出控制策略的有效性.

水面无人艇领航-跟随固定时间编队控制

[目的]为解决复杂扰动下的领航—跟随水面无人艇(USV)编队控制问题,提出一种固定时间控制(FTC)方法。[方法]针对跟踪控制子系统,设计一种基于积分滑模的固定时间跟踪控制(IMS-FTC)策略;针对编队控制子系统,设计一种基于有限时间扰动观测器的固定时间编队控制(FDO-FFC)策略;基于Lyapunov稳定性理论证明所设计的编队控制方法的整体稳定性。[结果]采用经典CyberShip II试验模型进行仿真研究,结果显示所设计的控制方案能够有效提高领航—跟随USV编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]研究成果可为无人艇编队控制系统设计提供先进的技术手段。

可重复使用运载器递归积分滑模姿态控制方法

针对存在模型不确定和外部干扰的可重复使用运载器再入段姿态控制问题,提出了一种基于自适应滑模干扰观测器的递归积分滑模控制方法。首先,基于可重复使用运载器再入段姿态运动模型,建立了面向控制的模型;其次,设计了自适应滑模干扰观测器,以精准估计和补偿由模型不确定和外部干扰构成的复合干扰;然后,基于递归思想设计了一种新型递归积分滑模控制器,利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的有限时间稳定性;最后,数值仿真结果验证了该方法具有较强的鲁棒性和较快的收敛速度。

基于NDO的HXD_3机车轮对齿隙自适应补偿

为研究HXD3型电力机车轮对齿隙受线路激扰和车行冲击影响时的位置控制精度,考虑实际工况中齿隙传动的非线性以及外界干扰的周期性,建立了齿隙传动伺服系统的数学模型;针对具有齿隙输入和未知时变参数的非线性系统,结合齿轮传动控制方向未知的实际工况,引入Nussbaum类型函数;为改善系统抖振,同时减小外干扰和不确定性对系统的影响,添加了非线性干扰观测器;基于积分滑模控制器收敛快速、鲁棒性强的优点,设计了具有衰减因子的积分滑模自适应控制器。理论分析表明,齿隙伺服系统闭环输出有界,滑模面与跟踪误差一致有界并收敛于0。仿真结果表明,积分滑模面抖振较小,收敛迅速;Nussbaum函数有界并收敛;NDO能够对非线性干扰进行近似无偏估计。齿隙伺服系统可实现在线路上存在周期性冲击时及参数存在摄动的工况下对位置指令输入的近似无偏跟踪,并对控制方向不同的指令输入具有较为理想的输出响应。

轮式移动机器人固定时间轨迹跟踪控制

针对存在外部干扰的轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种固定时间轨迹跟踪控制方案.首先,对于轮式移动机器人的运动学误差模型,基于一种新颖的积分滑模面设计固定时间运动学速度控制器,使跟踪误差在固定时间收敛到原点所在的邻域内;其次,对于轮式移动机器人的动力学模型,设计固定时间干扰观测器对外部干扰信息进行估计,提出一种固定时间轨迹跟踪控制器,以确保动力学系统的固定时间稳定性,实现轮式移动机器人的高精度轨迹跟踪控制;最后,通过仿真结果验证所设计的轨迹跟踪控制方案的有效性.

基于干扰观测器的水下机器人预定性能控制

针对受外界干扰的水下机器人,提出一个预定性能控制器.首先,针对水下机器人的外界干扰,设计一个干扰观测器并且估计误差在有限时间内收敛至零;然后,利用干扰观测器进行前馈补偿,基于一种指数型障碍李雅普诺夫函数设计一个非奇异快速积分终端滑模控制器,使得水下机器人的轨迹跟踪误差在有限时间内收敛至零并且满足预定的性能要求;最后,严格地证明控制系统的稳定性,并通过仿真实例验证所提方法的有效性.

带有执行器故障的多水面船固定时间分布式滑模协同控制

针对未知环境干扰、未知执行器故障等多水面船协同控制问题,提出一种带有执行器故障的多水面船固定时间分布式滑模协同控制方法,可保证协同控制系统的全局固定时间的稳定性.首先,设计一种固定时间干扰观测器,用于估计集总扰动(包括未知环境扰动和未知执行器故障);其次,引入固定时间非奇异快速终端滑模面,可有效地消除系统的奇异性,改善系统的抖振;然后,提出一种基于固定时间非奇异快速终端滑模面和固定时间干扰观测器的分布式容错控制器,使得收敛时间上界与系统初始状态无关;最后,通过仿真实验验证所提出控制律的有效性.