永磁同步电机非线性增益非奇异快速终端滑模控制

为了研究传统滑模控制中系统误差在有限时间内无法收敛至0以及传统滑模控制中系统抖振与收敛速度互不兼容的问题,提出一种非奇异快速终端滑模控制与扰动观测器结合的速度控制器。通过将参数可变的非线性函数作为增益代替固定增益加入滑模控制策略中从而改善系统响应速度同时减小系统的抖振。针对转矩扰动对系统的影响,加入负载转矩扰动观测器并补偿到q轴电流中以进一步提高控制器抗负载扰动能力。根据李雅普诺夫稳定性理论对提出的新型滑模控制器进行稳定性证明,经过仿真和实验证明,电机在启动时响应快、无超调且抖振较小,在突加转矩时转速波动小且恢复时间迅速,证明了改进后的变增益非奇异终端滑模控制与传统非奇异快速终端滑模控制策略相比可以提高动态性能的同时抑制系统抖振、增强系统的鲁棒性。

基于非线性扰动观测的储能双向DC-DC变换器非奇异终端滑模控制策略

在光储直流微电网系统中,储能双向DC-DC变换器在储能设备与直流母线之间起着关键的接口作用,其在光伏输出功率及负载大信号扰动下的性能优劣至关重要,将直接影响着直流母线电压的稳定运行。为此,提出了一种基于非线性扰动观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)的非奇异终端滑模控制策略。首先采用基于微分几何理论的精确反馈线性化方法,将双向DC-DC变换器系统的状态空间模型转化为布鲁诺夫斯基标准式,并利用非线性扰动观测器对系统扰动量进行估计和补偿。在此基础上设计非奇异终端滑模控制器,并根据李雅普诺夫稳定性理论,证明所提控制策略的稳定性;进而分析所提控制策略的收敛性。最后,通过仿真验证所提控制策略的有效性。仿真结果表明,与文献中典型非线性控制策略相比,本文所提控制策略在光伏输出功率和负载有较大扰动时响应时间较快,并具有电压过充小、稳态误差小的优点。

基于扩张状态观测器的PMLSM高阶自适应非奇异快速终端滑模控制

为改善永磁直线同步电机控制系统的位置跟踪精度和鲁棒性,提出了一种基于扩张状态观测的高阶自适应非奇异快速终端滑模控制方案。首先,设计了一种高阶非奇异快速终端滑模面,通过引入反馈电流实现对电机位置、速度和电流的整体控制。其次,设计新型滑模趋近律,使控制系统能快速将误差趋近于零并削弱抖振。同时,引入自适应律估计并实时调整趋近律系数。最后,设计了扩张状态观测观测外部扰动,从而提高位置跟踪系统的动态和稳态性能。基于Lyapunov稳定性理论,证明了该控制系统的稳定性。通过仿真与实验验证,结果表明,提出的控制方法能有效提高系统的位置跟踪精度,并且增强了系统的抗干扰能力。

基于非奇异终端滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制

基于滑模观测器(sliding mode observer, SMO)的永磁同步电机无传感器控制中,SMO的收敛速度和固有抖振均会影响系统的控制性能.针对该问题,设计一种非奇异终端滑模观测器(nonsingular terminal sliding mode observer, NTSMO)以实现永磁同步电机的无传感器控制.首先,构造积分型非奇异快速终端滑模面,使得电流观测误差在有限时间内快速收敛至零,避免奇异问题;其次,利用锁相环方法从观测的反电动势中获取转子的位置和速度,不仅可简化系统,而且能得到更为平滑的估计转子位置和转速;最后,通过Lyapunov函数证明该观测器的稳定性,并利用Simulink软件进行仿真验证.结果表明:采用NTSMO可实现对永磁同步电机转速的准确估计,且转子位置误差小,静态响应好;与传统的SMO相比,NTSMO的收敛速度更快,反电动势抖振更小,其系统控制性能更佳.

极端工况下永磁同步电机改进非奇异终端滑模控制

针对永磁同步电机控制系统性能易受参数变化、外部扰动等不确定性因素影响而下降的问题,设计了一种转速环改进型非奇异终端滑模控制方法。首先,建立永磁同步电机的数学模型;然后,采用改进型指数趋近律与非奇异终端滑模面相结合设计控制器;同时,利用扩展滑模扰动观测器估计系统中不确定性参数,并通过Lyapunov函数证明了其稳定性;最后,通过仿真实验对所提出的控制方案的有效性进行了分析验证。结果表明,与PI控制和传统NTSMC方法相比,该方法在保证快速收敛的同时明显削弱了抖振现象,具有一定的鲁棒性和抗干扰性。

基于非奇异快速积分终端滑模的机械臂鲁棒控制

为了克服机械摩擦、未知负载和模型误差等不确定性因素对机械臂控制精度的影响,采用指数障碍李雅普诺夫函数设计了非奇异快速积分终端滑模有限时间鲁棒控制律。首先,建立了带有各类不确定性因素的机械臂数学模型,并通过设计的观测器准确地估计出干扰值;然后,利用机械臂转角误差设计了非奇异快速积分终端滑模面,在指数障碍李雅普诺夫函数的基础上,设计出了有限时间鲁棒控制律;最后,通过稳定性分析验证了设计的有限时间鲁棒控制律能够在有效时间内收敛。三自由度机械臂的仿真结果表明:提出的有限时间鲁棒控制律能够有效克服不确定性因素对机械臂控制精度的影响,观测器的最大估计误差为0.1(°)/s 2,机械臂各关节转角的最大跟踪误差为0.1°,验证了设计方法的有效性。在三维空间固定坐标定位实验中,机械臂在提出的有限时间鲁棒控制律作用下的最大定位误差为0.22 cm,最长运行时间为2.2 s,验证了在实际工程应用中能够实现更高的控制精度和运行效率。

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。

基于扰动观测器的永磁直线电机高阶非奇异快速终端滑模控制

针对永磁直线同步电机运行时存在模型不确定性、负载扰动、参数摄动等匹配/不匹配扰动等问题,该文提出一种基于扰动观测器的高阶非奇异快速终端滑模控制策略。利用非线性扰动观测器观测匹配/不匹配扰动,降低系统对多重扰动的保守性。此外,设计高阶非奇异快速终端滑模控制器,增强系统的鲁棒性,并将反馈电流引入滑模面,实现电机位置、速度和电流的整体控制,以提高位置跟踪系统的动态性能和稳态性能。基于李雅普诺夫稳定性理论,分析证明了闭环系统的稳定性和收敛性。最后,通过实验验证了所提控制方法的可行性,能够有效提高系统的跟踪精度和鲁棒性。

基于扩展状态观测器的永磁同步直线电机自适应快速非奇异终端滑模控制

针对永磁同步直线电机(PMSLM)伺服系统的位置跟踪精度易受参数变化、负载扰动和摩擦力等不确定性因素影响的问题,该文提出了一种基于扩展状态观测器(ESO)的自适应快速非奇异终端滑模控制器(AFNTSMC).首先,采用了快速非奇异终端滑模面,在保证系统有限时间快速收敛的同时消除奇异性问题;然后,提出了一种新的自适应滑模趋近律(ASMRL),在抑制系统固有抖振的同时提高系统状态点趋近滑模面的速度;最后,考虑到高开关增益引起的高频抖振问题,设计了一个基于双曲正切函数的ESO来观测系统的不确定性扰动,作为前馈补偿以保证系统强鲁棒性的同时,削弱高频抖振.仿真实验结果表明,该方法提高了系统的瞬态响应速度和位置跟踪精度,在保证系统有限时间快速收敛的同时,拥有更好的动态跟踪性能,能够有效削弱抖振提高系统鲁棒性能.

基于改进非奇异快速终端滑模反演控制的风力发电系统最大功率跟踪

针对永磁直驱风力发电机系统的最大功率跟踪存在非线性、系统参数不确定及外部扰动问题,提出一种基于有限时间干扰观测器的非奇异快速终端滑模反演控制策略。针对转速跟踪问题,将系统参数不确定与外部扰动定义为集总扰动,用观测器快速精确估计之后补偿。采用反演控制法处理非线性系统,结合动态面控制设计虚拟控制律,同时设计滑模控制律,提高系统收敛速度与跟踪精度。通过李雅普诺夫理论与仿真实验证明该系统的稳定性与有效性。

复合式空气悬架多模式切换终端滑模控制

针对车辆空气悬架系统在复杂工况下车身高度与悬架阻尼难以协调的问题,提出一种复合式空气悬架多模式切换终端滑模控制策略。考虑悬架系统非线性及外界干扰的影响,建立复合式空气悬架非线性动力学模型;设计多模式切换控制器以确定不同车身高度下的最优阻尼控制模式;采用未知输入观测器估计悬架系统状态量,并设计一种基于径向基神经网络的非奇异快速终端滑模控制器,控制直线电机输出对应模式下的电磁推力;最后,对多模式切换终端滑模控制策略下的悬架动态性能进行仿真与台架试验。仿真结果表明:该控制策略可有效协调车身高度与悬架阻尼,提高车辆在复杂工况下的平顺性和操稳性。试验结果表明:相比于被动悬架,系统的簧载质量加速度在时域和频域内分别降低了32.5%和33.7%,验证了该控制策略的有效性。

基于非奇异终端滑模观测器的无刷直流电机无传感器控制

在无刷直流电机(BLDCM)无传感器控制系统中,针对传统滑模观测器存在抖振等问题,提出了一种新的非奇异终端滑模观测器(NTSMO)方法估计电机线反电动势,所采用的非奇异终端滑模面能够实现有限时间快速收敛,并通过引入一种新的滑模趋近律削弱了抖振,提高了电机反电动势的估计精度,实现了电机转速的快速观测和控制,最后基于Lyapunov函数证明了观测器的稳定性。仿真结果表明:与传统方法相比,所设计的NTSMO能较好地抑制系统抖振,具有较好的转速估计精度。

基于干扰观测器的四旋翼无人机终端滑模控制方法

针对四旋翼无人机存在外部干扰的问题,提出了一种基于非线性干扰观测器的非奇异终端滑模控制策略,以保证系统的安全性和可靠性。首先,建立考虑外部干扰的四旋翼无人机动力学模型;其次,设计一种非线性干扰观测器来估计外部干扰的实际值,并结合非奇异终端滑模与反演技术,确保位置和姿态系统能在有限时间内收敛于期望轨迹;最后,通过仿真对比实验,表明所提出的控制方法具有良好的跟踪性能和抗干扰能力,并且其稳定性和鲁棒性均优于传统的滑模控制方法。

基于UDE的掘进机器人非奇异终端滑模控制

随着科学技术的不断进步,煤矿悬臂式掘进机正朝着自动化、少人化、智能化的方向发展。巷道断面成形是悬臂式掘进机的一个主要任务,针对煤矿掘进机器人截割头轨迹控制易受外界未知干扰、系统非线性以及参数不确定性等因素影响,提出一种基于未知动态估计器(Unknown Dy-namic Estimator,UDE)的非奇异终端滑模控制方法。首先,考虑液压驱动部分建立了掘进机截割电液驱动系统的3阶非线性严反馈状态空间模型。其次,利用有限时间状态收敛的超螺旋滑模微分器估计系统的未知速度状态,基于低通滤波器设计UDE估计系统的非匹配项集总不确定性,并采用非奇异终端滑模面和幂指数趋近律设计快速终端滑模控制律,对UDE观测的系统扰动进行实时前馈补偿可有效缓解传统滑模控制存在的控制器抖振问题。同时为降低高阶虚拟控制量导数计算复杂度,引入指令滤波技术,并采用高增益鲁棒反馈抑制系统匹配项扰动,利用李雅普诺夫准则证明闭环系统的稳定性。最后,利用搭建的掘进机器人样机开展实验验证。试验结果表明:在跟踪阶跃信号、0.1 Hz正弦信号以及混频信号时,所提出的控制方法相较传统的PI控制跟踪误差的平均值分别降低了61.60%、66.51%、66.27%,跟踪误差的均方根值分别降低了54.00%、64.53%、61.90%,可有效地抑制系统的多源不确定性扰动,进而实现掘进机器人截割系统的高精度位置控制与动态快速响应。

基于干扰观测器的机械臂分数阶非奇异终端滑模控制

针对串联式工业机械臂在实际控制中内部存在建模误差,外部存在多种干扰的轨迹追踪问题,提出了一种结合干扰观测器和滑模控制的复合控制方法。采用拉格朗日方法建立了机械臂的动力学模型以分析其动力学特性;设计了一种有限时间干扰观测器来补偿机械臂受到外界干扰的可观测部分,主动减小干扰对于控制系统的影响;对于不可观测部分,提出了一种改进的分数阶非奇异终端滑模控制策略,并设计了趋近律以保证逼近阶段的控制性能;采用Lyapunov定理分析控制系统的闭环稳定性。通过MATLAB/Simulink控制仿真验证,结果表明该控制方法能够克服扰动以及建模误差带来的不确定性,有效提高机械臂轨迹跟踪的精度,并实现对于期望运动轨迹的迅速追踪。

基于固定时间非奇异终端滑模的汽车主动前轮转向系统控制

针对汽车主动前轮转向系统(active front steering,AFS)中的安全控制问题,提出一种基于固定时间非奇异终端滑模的主动前轮转向控制器.将固定时间终端滑模与幂次趋近律相结合设计一种新的固定时间非奇异终端滑模控制器,以实现系统的快速稳定控制和削弱系统稳态时的抖振,使得闭环系统的收敛时间仅取决于滑模面及控制器的参数设计,而与系统的初始值无关.基于Lyapunov稳定性理论验证了闭环系统的稳定性.仿真结果表明,所提固定时间终端滑模控制方法的快速性和稳定性均优于传统滑模控制和PI控制方法.

永磁直线同步电机自适应反推非奇异终端滑模控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统在负载扰动、内部参数变化等各种不确定影响因素下,导致系统位置跟踪精度降低的问题,提出一种基于非线性扰动观测器(NDO)的自适应反推非奇异终端滑模控制(ABNTSMC)方法。反推控制与非奇异终端滑模控制相结合,利用反推将复杂的非线性系统进行降阶处理,通过非奇异终端滑模控制使各个子系统状态能够在有限时间内实现快速收敛,并通过自适应算法对控制器切换项的扰动上界进行动态调整,削弱滑模抖振。结合NDO实时辨识系统不确定性扰动的特性,将观测值前馈补偿到滑模位置控制器中,以减小系统跟踪误差,提高系统抗干扰能力。该控制方法与滑模控制(SMC)、ABNTSMC进行仿真对比,从而验证该控制方法的有效性。

PMLSM伺服系统自适应非奇异快速终端滑模控制

针对永磁直线同步电动机(PMLSM)的位置跟踪精度易受外部扰动的影响,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制(ANFTSMC)方法。建立PMLSM数学模型。为解决滑模控制(SMC)系统时会产生收敛速度慢、可能产生奇异性等问题,利用非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)解决该问题,保证系统收敛,既不产生奇异性又提高快速性。加入自适应律可以在线估计系统未知扰动的上界,提高系统的鲁棒性。通过仿真分析得出结论,与SMC和NFTSMC相比,ANFTSMC方法能解决收敛速度慢的问题,跟踪精度与鲁棒性亦有所提高。

双连杆柔性臂非奇异快速终端滑模控制

针对双连杆柔性机械臂轨迹跟踪过程中抖振大、精确度低等问题,设计了一种非奇异快速终端滑模控制算法。首先根据拉格朗日方程及能量守恒定律推导出双连杆柔性机械臂的动力学方程,进而设计了基于跟踪误差状态方程的非奇异快速终端滑模控制器,其中采用双曲正切函数代替符号函数来削弱抖振的影响,并利用李雅普诺夫理论证明了该闭环系统的稳定性。仿真结果表明,提出的控制策略具有跟踪精度高,抖振更小的优点。

考虑液体大幅晃动充液航天器的自适应非奇异快速终端滑模控制

针对考虑液体燃料大幅晃动的充液航天器进行姿态机动控制,研究控制系统中存在系统参数不确定、外部未知干扰以及测量不确定的充液航天器姿态控制系统,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制器。将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立了液体大幅晃动航天器动力学方程。针对充液航天器姿态稳定问题,设计具有有限时间收敛且能避免奇异点的非奇异快速终端滑模面,使充液航天器可以快速达到姿态稳定;与此同时,设计自适应更新律估计集总扰动的未知上界。Lyapunov稳定性分析表明,在系统参数不确定、外部未知干扰、测量不确定和大幅液体晃动的影响下,所提出的自适应非奇异快速终端滑模控制能够保证系统的快速收敛特性,仿真分析验证了所提出控制器的有效性。