基于全局快速终端滑模的6-PSS并联运动模拟器轨迹跟踪控制研究

针对6-PSS并联运动模拟器动力学模型中的不确定性和时变扰动,提出了一种基于全局快速终端滑模的鲁棒控制策略。首先,运用虚功原理建立了该机构的动力学模型(该动力学模型表明6-PSS并联机构是一个具有非线性和强耦合特性的多变量系统),对动力学模型进行了离线处理,使其反映出机构真实动力学特性,并满足设备实时计算能力的要求;然后,基于简化后的动力学模型设计了一种全局快速终端滑模控制器(GFTSMC),设计李雅普诺夫(Lyapunov)函数对控制律进行了分析,证明了控制器的稳定性;最后,将控制策略应用于6-PSS并联运动模拟器轨迹跟踪控制,并将其与PD前馈控制及传统滑模控制(SMC)进行了对比实验。研究结果表明:GFTSMC相对于PD和SMC的平均误差分别下降了82.92%和18.88%,标准差分别下降了80.03%和41.73%,且能够起到抑制抖振的效果,是6-PSS并联运动模拟器的一种有效且实用的鲁棒控制方案。该研究结果可为6-PSS并联运动模拟器控制及工程应用提供理论依据。

基于高增益比例积分观测器的液压伺服系统全局快速终端滑模控制

针对受不确定性影响的非线性液压伺服系统,设计了一种基于高增益比例积分观测器的全局快速终端滑模控制方法。首先,采用输入输出反馈线性化方法对非线性模型进行线性化处理,使其适用于观测器与控制器的设计结构,其中比例积分观测器用于估计包括建模误差、外部干扰和测量噪声等综合不确定性,全局快速终端滑模控制器用于快速补偿观测器误差,从而进一步提高控制系统的鲁棒性。此外,根据李亚普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性。最后,将所设计方法与传统PID控制以及传统滑模控制方法在相同的不确定性环境下进行了对比实验,实验结果表明所提方法具有更快的响应速度、更高的跟踪精度与抗干扰能力。

一种基于反步法的鲁棒自适应终端滑模控制

针对不确定严格反馈块控非线性系统,提出了一种基于反步法的鲁棒自适应终端滑模变结构控制方法.系统的未知不确定及外界干扰由模糊系统在线逼近,利用反步法设计了变结构控制的终端滑模面,并由此得到了鲁棒自适应终端滑模控制器,使系统的跟踪误差在有限时间内趋于给定轨迹的任意小的邻域内.通过Lyapunov定理证明了闭环系统所有信号最终有界.对某战斗机6自由度机动仿真结果表明,该方法具有强鲁棒性.

多关节机器人的全局快速终端模糊滑模控制

针对多关节机械臂轨迹跟踪控制,提出了一种全局快速终端模糊滑模控制方法。该方法根据滑模控制原理,采用模糊控制调节滑模控制的切换增益,并利用积分的方法自动对系统的建模误差和干扰的上界进行评估,实现了对建模误差和干扰的自动跟踪,削弱了抖振。文中利用李亚普诺夫定理证明了系统的稳定性,仿真结果表明了其有效性。

PSO优化的六自由度机械臂全局快速终端滑模控制

针对六自由度机械臂控制系统,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的全局快速终端滑模控制方法,以更大程度地减小系统的抖振,提高系统的响应速度。对于机械臂多输入多输出的特点,为了方便设计,将系统划分为6个二阶子系统,对各个关节进行设计,分析克服控制律的奇异性,同时运用Lyapunov理论证明系统的稳定性,并基于PSO算法完成控制参数的优化。实验结果表明:优化后的控制方法不仅可以提高系统的快速性,还可以明显减小系统的抖振,使系统具有良好的动静态性能。

基于鲁棒微分器的全阶非奇异终端滑模再入姿态控制

针对飞行器再入段的强耦合和非线性的问题,提出了一种基于鲁棒微分器(robust exact differentiator,RED)的全阶非奇异终端滑模控制(full-order nonsingular terminal sliding mode control,FONTSMC)方法.首先,设计了一种新的全阶非奇异终端滑模函数,保证在控制器中不存在带有分数次幂项的状态量的导数,同时证明了跟踪误差可以在有限时间内收敛到0;然后,针对该滑模运动方程存在误差二阶导数的特殊情况,引入了超螺旋算法(super-twisting algorithm,STA)作为鲁棒微分器(RED),避免了由直接采用普通微分器引入的干扰噪声.进一步为了避免滑模控制的抖振问题,采用边界层技术与低通滤波技术共同消除控制量的抖振.最后,仿真结果验证了所设计的控制器可以实现有限时间姿态跟踪控制,且具有较好的鲁棒性.

中密度纤维板连续热压位置伺服系统自适应全局快速终端滑模控制

为实现中密度纤维板(MDF)连续平压热压机液压位置伺服系统在参数摄动和外负载力干扰存在条件下快速、精确地位置跟踪,提出一种自适应全局快速终端滑模控制方法。首先,设计了自适应律以估计系统中的不确定参数,增强了控制系统的鲁棒性;然后,采用全局快速终端滑模控制方法,设计了一种新型的全局快速终端滑动模态,保证系统误差能够在有限时间内收敛为零;最后,利用Lyapunov稳定性理论给出了系统渐近稳定、跟踪误差在有限时间收敛的证明。仿真结果表明:该方法在保证系统稳定性的同时,可以实现系统误差在有限时间内收敛,提高了系统的鲁棒性和快速性。

漂浮基柔性两杆空间机械臂的全局鲁棒Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控并具有有界外部扰动的飘浮基柔性两杆空间机械臂振动不主动抑制的全局鲁棒Terminal滑模控制。首先选择合理的联体坐标系,利用拉格朗日方程并结合动量守恒原理得到系统的动力学方程。根据Terminal滑模控制技术,给出了系统的Terminal滑模面,进而提出了系统的Terminal滑模运动控制算法。然后分析了该Terminal滑模控制器控制下系统中的两柔性杆的振动,并对两柔性杆的振动进行了数值仿真。该Terminal滑模控制律消除了惯常滑模控制的到达阶段,从而具有全局鲁棒性与稳定性;同时还保证了输出误差在任意指定有限时间内收敛到零。系统的数值仿真表明该Terminal滑模控制器能够使机械臂关节轨迹快速而稳定地追踪上期望运动轨迹,而系统中两柔性杆件始终存在比较大的柔性振动。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,减少了系统的设计、制造、发射、维护费用,提高了系统的可靠性。

基于全局鲁棒滑模PMSM自适应模糊控制

为研究永磁同步电机(PMSM)在无速度传感器工况下的速度跟踪估计,以PMSM的工作原理为基础,建立了内埋式PMSM的数学模型。基于全局鲁棒最优滑模(GRO-SMC)鲁棒性强的优点,提出了基于全局鲁棒控制器的采用旋转高频电压注入法对电机转速进行估计的无速度传感器控制方案,并分析了电机在高、低速工况下的运行特点。实验结果表明,基于全局鲁棒最优滑模设计的PMSM无速度传感器鲁棒控制系统可获得较高的电角度估计精度。

LCL型光伏并网逆变器全局鲁棒滑模变结构双闭环控制

为有效抑制谐振峰值,精确跟踪并网电流,文章采用双闭环的控制结构对LCL型光伏并网逆变器进行控制,其中:内环引入滤波电容电流的比例-惯性反馈环节,能够抑制有源阻尼谐振;外环采用全局鲁棒滑模结构控制,跟踪给定的正弦参考电流,同时对外界干扰和参数不确定性具有全局鲁棒性。仿真结果表明,该方法在稳态、动态性能方面能够满足控制要求,对参数摄动具有全局鲁棒性,能够抑制电网电压的谐振信号,在跟踪效果和抗干扰方面优于常规的PI控制算法。

永磁直线同步电机自适应反推全局快速终端滑模控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统位置跟踪精度易受参数变化、负载扰动、摩擦力等不确定性因素影响的问题,提出自适应反推全局快速终端滑模控制(ABGFTSMC)方法。首先,建立含有不确定性的PMLSM动态数学模型。然后,采用反推控制将复杂的非线性系统分解成低阶子系统,并利用全局快速终端滑模控制将系统状态快速收敛到平衡点,提高系统的响应速度,增强系统的鲁棒性;再结合自适应控制实时调整切换控制增益值,以便获得合适的切换增益,从而削弱了抖振现象。从理论上证明了该控制方案能够使系统获得快速收敛性和良好的跟踪性。最后,通过系统实验证明了所提出的控制方案不仅具有更快的收敛性,而且具有更快的跟踪性和更强的鲁棒性。

交流伺服系统的全局鲁棒模糊滑模控制

针对交流伺服系统,根据滑模控制原理,采用基于等效控制的模糊滑模方法,提出了一种全局鲁棒模糊滑模变结构控制方案,以满足控制系统的鲁棒性和削弱系统固有的抖振。仿真结果表明这一方法的有效性。

多四旋翼无人机鲁棒全局快速终端滑模编队容错控制

针对多四旋翼无人机编队飞行时领导者受外界环境干扰、建模耦合因素及执行器故障影响的问题,设计了一种基于扩张状态观测器的鲁棒全局快速终端滑模容错控制方法。通过建立带外部环境干扰和执行器故障的四旋翼无人机模型,使用扩张状态观测器来估计干扰、耦合因素和故障,利用鲁棒全局快速终端滑模容错控制器进行补偿控制。为了提高系统响应速度并减少抖振,在控制器设计中引入带有继电特性的连续函数。结合领导者-跟随者法和滑模控制理论设计编队协同控制器,确保无人机编队完成飞行任务。仿真结果表明该方法具有良好的容错性能。

变质心喷砂除锈移动平台自适应全局鲁棒超螺旋滑模控制

由于喷砂除锈并联机器人移动平台的质心会随升降机运动而变化,为实现高性能轨迹跟踪控制变质心移动平台,提出一种自适应全局鲁棒超螺旋滑模控制算法。首先,根据移动平台质心坐标与轨迹跟踪参考点的几何位置关系推导质心速度方程,建立考虑质心变化的移动平台动力学模型。然后,基于该模型设计一种自适应全局鲁棒超螺旋滑模控制算法,并在全局滑模面中引入超螺旋滑模控制消除趋近阶段,保证系统全局鲁棒性。最后,引入切换增益自适应律提高系统收敛速度。实验结果表明,该算法既能增强系统鲁棒性,又改善了轨迹跟踪的动态品质,并采用Lyapunov直接法证明系统能在有限时间内渐进稳定,为处理移动平台质心变化提供新的方法。

基于干扰观测器的磁悬浮球系统全局快速终端滑模控制

为解决磁悬浮球系统模型不确定性和易受外部干扰影响的问题,提出一种基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制(GFTSMC)方法.首先,分析了磁悬浮球系统的数学模型并建立动态方程;然后,设计终端滑模干扰观测器(TSMDO),用以观测和估计系统所受到的扰动,经证明,该观测器对扰动的估计误差能在有限时间内收敛;其次,为克服系统不确定性和外部干扰的影响,设计了基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制器,可以实现系统的全局快速收敛,所设计的控制律不含切换项,能削弱抖振,以提高系统的抗干扰性和鲁棒性;最后,对所提出的TSMDO-GFTSMC进行了仿真验证,结果表明:与基于扩张状态观测器的连续滑模控制方法相比,采用本文方法,磁悬浮小球的起浮响应时间缩短0.38 s,位移偏差减小90%,跟踪误差由0.420 mm减小为0.032 mm;本文方法提高了对干扰的观测精度,优化了磁悬浮球系统的控制效果,增强了系统的鲁棒性.

高速动车组分布式全局快速终端滑模控制策略

速度跟踪控制是高速动车组自动驾驶的关键技术之一。通过分析列车运行过程的动力学关系,将车钩系统描述为弹簧-阻尼器系统,并考虑列车受到的附加阻力,以及由于列车车钩形变产生的列车长度变化等,建立高速动车组纵向多质点动力学模型。在此模型基础上,设计分布式全局快速滑模控制器,此策略连续的控制率消除了传统滑模控制的抖振问题,控制器考虑动车与拖车的不同动力分配和牵引电机的输出功率上限,分别对动车与拖车的控制力进行不同的饱和限制。基于李雅普诺夫稳定性原理,证明了提出的控制算法的收敛与稳定。仿真结果表明,此高速动车组多质点模型能较为准确地反映列车运行中车钩的状态与受到的附加阻力,基于该模型的带有输出限制的分布式全局快速终端滑模控制器,使车钩纵向冲动更小,速度跟踪性能更优。

基于干扰观测器与终端滑模的车辆纵向控制

为了消除未知干扰和不确定性对车辆纵向控制的影响,设计了基于干扰观测器和终端滑模控制的分层式车辆纵向控制系统.利用干扰观测器对系统干扰进行实时观测,实现对系统的反馈补偿,降低滑模控制的切换增益,从而抑制滑模控制的抖振.利用Lyapunov函数证明了控制系统的稳定性,并通过Carsim/Simulink进行了联合仿真试验.结果表明:在两种仿真工况条件下,控制器对参考速度跟踪效果良好,速度误差最大仅为0.22 m/s,干扰观测器对系统干扰能够准确快速估计,估计误差仅为0.003 14,切换逻辑执行器发挥良好;与传统滑模控制相比,所设计的控制器稳定性更好,抑制了滑模控制的抖振,实现了对车辆纵向速度的稳定跟踪.

空间非合作目标近程自主跟踪的全局鲁棒最优滑模控制研究

对空间非合作目标的近程自主跟踪过程中目标可能会由于不确定原因出现轨道变动时的近程自主跟踪控制问题进行了研究,提出了一种全局鲁棒最优滑模控制器方法。针对空间非合作目标自主跟踪问题的标称系统,由基于无限时域的二次型性能指标的最优控制理论,获得最优调节器,再构造一个积分滑模面,使系统开始即在滑模面上,消除了传统滑动模态中的趋近模态,并使控制系统滑动模态与对应标称系统的最优动态有相同的形式,则滑动模态亦是渐近稳定的,且具有完全的鲁棒性;为保证滑动模态的存在,设计了滑模变结构控制器。该方法吸取了最优控制和滑模控制的优点,可在优化燃耗的同时满足全局鲁棒稳定性。仿真分析结果表明:用该法可实现对空间非合作目标轨道变动时的自主稳定跟踪,保证跟踪的精度。

一类非完整系统的分层全局快速终端滑模控制

基于滑模变结构控制理论,提出了一种用于平面二自由度欠驱动机器人非完整系统的全局快速终端滑模变结构控制方法。该方法将系统的状态方程化为标准形式的单输入多输出的非线性系统方程,运用全局快速终端滑模方法分别构造子系统的滑模面,结合这两个滑模面构造一个总的滑模面,利用李雅普诺夫函数和准滑动模态设计方法求取系统总的控制量,以实现主动关节与被动关节的轨迹规划和削弱由于采用滑模变结构控制而产生的抖振。最后利用所提出的方法设计了控制系统并进行仿真,仿真结果证明了该控制方法的有效性与快速性。

扰动观测的PMSM模糊全局快速终端滑模控制

针对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)普通滑模控制存在的系统响应速度慢、存在抖振现象等问题,提出一种扰动观测的模糊全局快速终端滑模控制(global fast terminal sliding mode control,GFTSMC)策略。设计全局快速终端滑模控制器以提高系统的响应速度和抗干扰能力,结合控制系统状态设计模糊控制规则实时调整速度控制器中的参数,在不影响系统收敛速度的条件下抑制抖振;设计Luenberger扰动观测器,将扰动估计值反馈至PMSM控制器中,削弱扰动对PMSM控制系统的影响。搭建PMSM控制试验平台对提出的控制策略进行试验验证。试验结果表明,Luenberger扰动观测器能够有效地估计扰动实际值扰动观测的,PMSM GFTSMC策略能够提高电机的响应速度和抗干扰能力抑制滑模控制中的抖振现象,增强系统的鲁棒性。