Design and Analysis of a New AUV's Sliding Control System Based on Dynamic Boundary Layer

The new AUV driven by multi-vectored thrusters not only has unique kinematic characteristics during the actual cruise but also exists uncertain factors such as hydrodynamic coefficients perturbation and unknown interference of tail fluid, which bring difficult to the stability of the AUV＇s control system. In order to solve the nonlinear term and unmodeled dynamics existing in the new AUV＇s attitude control and the disturbances caused by the external marine environment, a second-order sliding mode controller with double-loop structure that considering the dynamic characteristics of the rudder actuators is designed, which improves the robustness of the system and avoids the control failure caused by the problem that the design theory of the sliding mode controller does not match with the actual application conditions. In order to avoid the loss of the sliding mode caused by the amplitude and rate constraints of the rudder actuator in the new AUV＇s attitude control, the dynamic boundary layer method is used to adjust the sliding boundary layer thickness so as to obtain the best anti-chattering effects. Then the impacts of system parameters, rudder actuator＇s constraints and boundary layer on the sliding mode controller are computed and analyzed to verify the effectiveness and robustness of the sliding mode controller based on dynamic boundary layer. The computational results show that the original divergent second-order sliding mode controller can still effectively implement the AUV＇s attitude control through dynamically adjusting the sliding boundary layer thickness. The dynamic boundary layer method ensures the stability of the system and does not exceed the amplitude constraint of the rudder actuator, which provides a theoretical guidance and technical support for the control system design of the new AUV in real complex sea conditions.

Sliding Mode Control of T-Shaped Pedestrian Channel

The study of pedestrian evacuation in channels with different structures is important among optimizing through efficiency,avoiding accidents and designing passageway.It is of significant reference to set up a specific model on account of the real traffic system and design an appropriate controller to apply on it.This paper establishes a macroscopic model for T-shaped channel with a number of controlled entrances basing on the law of mass conservation.Then,with the method of cascade,a kind of sliding mode controller is designed to achieve the control target of avoiding the blocking and maximizing the pedestrian flow of the whole model,the stability of the system is proved by the Lyapunov stability theory,and the boundary layer method is applied to restrain the chattering of the controller.Finally,simulation results show the efficiency of the sliding mode controller and the improvement brought by the boundary layer method.

Coordinating optimization-based sliding mode variable structure control for electro-hydraulic servo system

A sliding mode variable structure control （SMVSC） based on a coordinating optimization algorithm has been developed. Steady state error and control switching frequency are used to constitute the system performance indexes in the coordinating optimization, while the tuning rate of boundary layer width （BLW） is employed as the optimization parameter. Based on the mathematical relationship between the BLW and steady-state error, an optimized BLW tuning rate is added to the nonlinear control term of SMVSC. Simulation experiment results applied to the positioning control of an electro-hydraulic servo system show the comprehensive superiority in dynamical and static state performance by using the proposed controller is better than that by using SMVSC without optimized BLW tuning rate. This succeeds in coordinately considering both chattering reduction and high-precision control realization in SMVSC.

基于步进电机的时变边界层滑模位置控制研究

文章基于两相混合式步进电机控制系统,将滑模控制算法应用于位置控制,以改善系统动态性能和抗干扰性,同时,为削弱滑模控制中的抖振问题,设计了一种时变边界层的控制算法,在等速趋近律的基础上将时变边界层算法应用于电机位置控制系统;通过MATLAB/Simulink进行了仿真实验验证,并进一步完成了实际实验,证明了文中提出的控制算法可以对传统滑模控制中的抖振问题进行明显地削弱,且动态性能较为良好;通过对比实验,将文中应用的控制算法与传统的PID控制算法在突加负载的情况下进行对比,证明了应用时变边界层控制算法的两相混合式步进电机位置控制系统的优势性。

基于动态变边界层的PMLSM新型终端滑模控制

为了提高永磁直线同步电机控制系统的动态响应速度和鲁棒性,提出了一种动态变边界层新型终端滑模(DITSM)控制方法。首先,在全局快速Terminal滑模面中引入积分项,构建积分型全局快速Terminal滑模面,在降低抖振的同时避免了奇异问题;其次,设计动态变边界层饱和函数来替代传统饱和函数,保证状态轨迹可以收敛到切换平面而不是边界层内,提高了系统鲁棒性;最后,设计超螺旋干扰观测器估计未知扰动,并采用前馈补偿的方式将观测值引入控制率,增强了系统抗干扰能力。经过仿真验证,DITSM控制方法不仅保证了系统全局鲁棒性,而且有效提高了系统跟踪精度和响应速度。

永磁直线同步电机分数阶微分型边界层终端滑模控制

针对永磁直线同步电机易受参数摄动、负载扰动等不确定因素的影响,该文提出一种分数阶微分型边界层非奇异快速终端滑模控制(FO-NFTSMC)策略。首先,采用NFTSMC方法来抑制不确定因素对系统的影响,保证了跟踪误差在有限时间快速收敛,避免了奇异性;其次,在系统不确定上界未知的情况下,将Riemann-Liouville分数阶微分定义和边界层技术结合,实现一种新的分数阶微分型边界层控制,不仅具有整数阶边界层的输出特性,还具备“大误差大增益,小误差小增益”的功能,化解了整数阶边界层控制中的“弱抖振”与“快收敛”之间的矛盾,使得系统全局快速收敛;最后,实验结果表明,该策略提高了系统的跟踪精度与响应速度,对负载扰动和参数变化具有很强的抑制能力,同时有效地削弱了抖振现象。

基于新型趋近律的半主动悬架模糊滑模控制

面向重载运输车辆的行驶过程,为了提高驾驶员的乘坐舒适性和行车安全性,设计一种基于新型趋近律的半主动悬架模糊滑模控制器。首先,为解决实时测量路面信号的问题,基于改进的参考天棚模型,将簧下质量的运动状态直接作为控制系统输入;其次,针对滑模控制引起的系统抖振和收敛速度慢的问题,引入可变边界层饱和函数的新型趋近律,再将模糊控制与滑模控制相结合,以保证控制精度和控制鲁棒性;最后,将重载运输车辆半主动悬架作为仿真对象进行仿真。结果表明,相较于传统模糊滑模控制,车身垂向加速度降低78.9%,车轮动载荷下降13.6%,悬架动挠度减小31.4%。所设计的控制器可提升以车身垂向加速度和悬架动挠度为评价指标的乘坐舒适性和以车轮动载荷为评价指标的行车安全性,为半主动悬架系统的智能控制研究提供参考。

低速磁浮列车悬浮系统动力学建模及非线性控制

以国家磁浮交通工程技术研究中心的低速磁浮列车为研究对象,探讨了外界扰动、非线性和时变性条件下悬浮控制系统的设计问题.首先建立悬浮系统非线性数学模型,并搭建悬浮系统仿真平台.然后设计线性PD(proportion differentiation)控制律,仿真表明其性能依赖参数的选取,对扰动敏感,鲁棒性弱.为提高悬浮控制器的鲁棒性,由可变边界层和指数趋近律出发,导出改进型的滑模控制律.用Lyapunov法证明其稳定性.仿真结果表明该控制律动态性能好,控制精度高,鲁棒性强,且能有效抑制系统颤振.最后通过整车试验证明所提出的改进型滑模控制律的有效性.

永磁直线同步电机的固定边界层滑模控制

为了解决永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)运行过程中对系统参数扰动及端部效应等不确定因素敏感的问题,提出了一种PMLSM的非线性鲁棒控制方法。利用反馈线性化的思想,对PMLSM数学模型进行变换得到包含不确定因素的准线性化且解耦的模型。采用msat函数的思想方法,设计了固定边界层滑模控制器,确保系统鲁棒性。同时给出了力观测器的设计方法估计新模型中未知的负载力。不需要知道系统参数的精确数值,通过确定其范围就可以使控制器得到良好的鲁棒性。仿真与实验结果均验证了文中所提出方法的正确性和控制策略的有效性。

磁悬浮列车滑模变结构控制器设计及实现

本文在建立磁悬浮线性模型基础上，设计变结构控制器，进行了仿真计算，并用模拟电路进行实验。

复合滑模控制在精密PMLSM激光切割运动平台的应用

针对永磁直线同步电机激光切割运动平台的位置伺服控制低抖振、高精度、强鲁棒的要求,在传统双幂次滑模趋近律的基础上,提出一种变边界层的双幂次滑模趋近律带滑模扰动观测器的复合趋近律滑摸控制方法。变边界层方法是对控制系统的控制精度要求和降低抖振的权衡,而所提出的方法又继承了传统双幂次滑模趋近律方法的有限时间收敛特性。为了降低控制系统设计的保守性,设计了一种基于超螺旋算法的滑模扰动观测器对系统的未知扰动进行估计,并在此算法中添加一个幂指数,通过仿真实验证明了提高幂指数的数值可加快未知扰动的估计值的收敛速度。结合Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统的稳定性。最后,搭建了用于激光切割的永磁直线同步电机平移试验台对所提出的控制器进行测试。实验结果表明:本文所提出的控制器的位置跟踪误差不超过1μm,且误差波动较小,能够满足伺服控制系统的要求。

三相三线制并联型有源电力滤波器的准滑模变结构控制

提出一种基于准滑模变结构控制(QSMC)的有源电力滤波器的控制策略,用于减小常规滑模控制中存在的抖动问题。使用的方法是将系统的运动轨迹限制在理想滑动模态的某一领域Δ内,从而实现对滑模控制非线性部分进行处理,保证了在减小了系统的抖动的同时系统又具有较好的鲁棒性。同时分析了该装置的原理及控制方法,并对控制器的存在性,可达性及稳定性进行了分析。仿真结果证明了该控制算法简单,响应速度快,对外界噪声干扰和参数摄动具有鲁棒性等特点,对抖动也具有较好的抑制作用。

一类非线性系统的自适应滑模模糊控制

针对一类具有多个子系统的欠驱动非线性系统提出了一种自适应滑模模糊控制方法.首先通过分析模糊控制与边界层滑模控制的相似性,提出了滑模模糊控制方法;然后根据滑模面斜率和各子系统控制对于系统动态性能的影响,分别采用模糊推理根据系统状态自动地实时调节滑模面斜率和各子系统在系统控制中的作用;最后通过简单的滑模模糊控制器实现对具有多个子系统的欠驱动非线性系统的控制.将该方法应用于吊车的运输控制中,仿真结果证明了其有效性和鲁棒性.

基于边界层的不确定机器人自适应迭代学习控制

针对不确定的多连杆机械手的跟踪控制问题,提出一种基于边界层的自适应迭代学习控制方法.自适应控制用来估计系统的未知参数的上界,本文主要特征是基于边界层设计自适应迭代学习控制器,避免了传统方法设计控制器的不连续性,削弱抖振现象的同时也提高系统的鲁棒性.理论证明系统所有信号有界,系统误差渐进收敛到边界层邻域内.仿真表明了算法的有效性.

一种改进的边界层滑模控制方法

提出了一种改进的边界层滑模控制方法,在边界层内采用非线性反馈替代了传统边界层方法的线性反馈。理论分析表明,改进的边界层方法能够保证系统状态在有限时间内到达滑动面;同时,与传统边界层方法比较,该方法具有更强的鲁棒性。以倒立摆为对象进行了仿真验证,结果表明该控制方法是有效的。

挠性航天器智能模糊控制算法

针对挠性航天器滑模变结构姿态控制器控制力矩的高频抖振问题,提出一种挠性航天器智能模糊控制算法。该算法使用模糊控制算法对航天器控制参数进行模糊化智能处理,能够有效改善控制器控制力矩的高频抖振问题。首先将模糊控制算法与滑模控制算法结合,根据切换面趋近律系数模糊化处理;然后应用连续饱和函数代替符号函数设计姿态控制器;最后通过算法到达滑模面的程度调整边界层厚度,在保证控制力矩不发生抖振情况的同时有效控制滑模面边界层的厚度。仿真结果证明,提出的智能模糊控制算法能够有效改善挠性航天器控制力矩的高频抖振问题,同时可以加快挠性航天器低阶模态振动曲线的收敛速度。

积分补偿的滑模控制器设计方法(英文)

对于一类具有不确定性扰动的非线性系统,提出了一种积分补偿的滑模控制器设计方法。为消除抖动现象,在切换面的邻近设置一边界层,在边界层外部,采用滑模控制方法驱动系统状态进入边界层。在边界层内部,在传统连续控制的基础上,引入积分补偿作用,以改善系统的稳态性能。对控制系统的稳定性进行了分析,并以倒立摆为对象进行了仿真验证,结果表明该控制方法是有效的。

一类不确定非线性系统的模糊边界层滑模控制

饱和函数控制法是抑制滑模抖振的有效方法,为得到跟踪精度和未建模动态鲁棒性之间的权衡,边界层厚度应该自适应调整。对边界层厚度设计模糊控制器进行调整,模糊控制器的输入采用状态轨迹到滑模面的距离|s|和状态轨迹与滑模面的夹角θ。针对二阶不确定非线性系统进行了仿真研究,仿真结果表明该方案可以消除系统抖振,优化边界层厚度,减小系统跟踪误差,使控制系统的跟踪性能优于边界层自适应调整方法和边界层接近角调整方法。

基于边界层法的电磁轴承滑模变结构控制研究

针对常规滑模变结构控制方法在电磁轴承控制当中引起的抖动问题,将边界层法用于滑模变结构控制器的设计。通过建立电磁轴承动力学模型,基于李亚普诺夫稳定性理论,用饱和函数取代常规变结构控制的符号函数,以有限大的增益近似实现无穷大的增益;最后,对控制器的性能进行了仿真研究,并和常规滑模变结构控制方法进行了比较。结果表明,采用边界层法可以有效减弱抖动对系统的不利影响,实现了转子的快速调整和稳定悬浮,并且具有良好的跟踪精度和强的鲁棒性。

自适应模糊滑模控制在火箭炮电液伺服系统中的应用

针对某火箭炮电液位置伺服系统,提出了一种自适应模糊滑模控制方法。为了使等效控制器的设计不依赖于对象的精确数学模型,利用切换函数及其变化率设计了自适应模糊系统来代替等效控制,并且为了解决抖振问题,利用抖振参数和切换函数的绝对值设计了模糊系统动态调节边界层厚度。仿真结果表明,该方法不仅能保证系统的响应速度和控制精度,有效抑制抖振,并且对结构参数不确定性具有很强的鲁棒性。