Adaptive terminal sliding mode control for high-order nonlinear dynamic systems

An adaptive terminal sliding mode control (SMC) technique is proposed to deal with the tracking problem for a class of high-order nonlinear dynamic systems. It is shown that a function augmented sliding hyperplane can be used to develop a new terminal sliding mode for high-order nonlinear systems. A terminal SMC controller based on Lyapunov theory is designed to force the state variables of the closed-loop system to reach and remain on the terminal sliding mode, so that the output tracking error then converges to zero in finite time which can be set arbitrarily. An adaptive mechanism is introduced to estimate the unknown parameters of the upper bounds of system uncertainties. The estimates are then used as controller parameters so that the effects of uncertain dynamics can be eliminated. It is also shown that the stability of the closed-loop system can be guaranteed with the proposed control strategy. The simulation of a numerical example is provided to show the effectiveness of the new method.

Finite time convergent control using terminal sliding mode

A method for terminal sliding mode control design is discussed. As we know, one of the strong points of terminal sliding mode control is its finite-time convergence to a given equilibrium of the system under consideration, which may be useful in specific applications. The proposed method, different from many existing terminal sliding model control desin methods, is studied, and then feedback laws are designed for a class of nonlinear systems, along with illustrative examples.

基于快速模糊干扰观测器的UASV再入Terminal滑模控制

针对无人空天飞行器再入大气层过程中气动参数变化剧烈、控制精度要求高的特点,设计了基于快速模糊干扰观测器的Terminal滑模控制方案。通过改进传统模糊干扰观测器的学习律,提出一种快速模糊干扰观测器,增强了其在线逼近干扰及系统不确定的能力。Terminal滑模的有限时间收敛特性提高了系统跟踪速度,同时采用快速模糊干扰观测器消除全部扰动的影响,从而保证了飞行品质。最后,仿真结果表明了快速模糊干扰观测器的优越性及闭环控制方案的有效性。

基于非线性干扰观测器的二阶动态Terminal滑模在近空间飞行器控制中的应用

针对近空间飞行器飞行包络大、飞行速度快、气动参数变化剧烈、系统建模存在不确定性、受外界扰动大和控制精度要求高等特点,首先设计了基于二阶动态Terminal滑模的控制方案.Terminal滑模能在有限时间收敛的特性加快了系统跟踪速度;二阶动态滑模的引入,使得滑模面及其部分阶导数为零,并且得到在时间本质上连续的控制器,有效克服了传统滑模的抖振问题.然后采用非线性干扰观测器逼近复合干扰.根据复合干扰逼近值设计控制器补偿项,进一步提高控制精度和削弱抖振.基于李雅普诺夫理论,严格证明了系统稳定性.最后将所设计控制方案用于近空间飞行器姿态角跟踪仿真实验,仿真结果表明了该控制方案跟踪精度高、速度快、鲁棒性强,且有效去除了滑模的抖振.

自适应时变Terminal滑模控制研究

针对Terminal滑模控制到达阶段鲁棒性不强的问题,提出了时变Terminal滑模控制方法。分析Terminal滑模面的设计参数对系统性能的影响,提出一种非线性时变Terminal滑模面的设计方法。为了消除多输入多输出(MIMO)非线性系统的不确定,构建动态干扰观测器系统,根据干扰观测误差在线调节参数,从而在线逼近外部干扰,证明了逼近误差一致最终有界。采用倒立摆系统进行仿真验证,提出的自适应时变Terminal滑模控制方法比传统的PID控制镇定时间缩短80%,且无超调。仿真结果表明,所提方法可以用于MIMO非线性系统的控制。

直接驱动XY平台全局快速Terminal滑模控制

针对永磁直线同步电机驱动XY平台系统的非线性、不确定性及轮廓误差模型复杂等问题,设计了基于等效误差法的全局快速Terminal滑模轮廓控制器.运用等效误差法建立容易计算的直接驱动XY平台非线性等效误差模型;采用全局快速Terminal滑模控制方法设计直接驱动XY平台轮廓控制器.该控制方法可以促使系统在有限时间内迅速收敛到平衡状态,同时能抑制负载扰动和参数不确定性对系统性能的影响.仿真结果表明,所设计的轮廓控制器使直接驱动XY平台具有了较高的轮廓加工精度和较强的鲁棒性.

不确定奇异系统的Terminal滑模控制

针对一类不确定奇异系统,研究其Terminal滑模控制问题。通过非奇异线性变换把不确定奇异系统变换成受限等价形式,利用Lyapunov函数方法,首次提出了一种新的Terminal滑模控制策略,给出了特殊的Terminal滑模超曲面,设计了相应的滑模控制器,实现了滑模运动,保证了系统状态变量在有限时间内收敛到平衡点。给出数值算例,说明了方法的有效性。

基于神经网络干扰观测器的Terminal滑模控制

针对一类非线性不确定系统,通过构建动态干扰观测器系统,提出一种快速神经网络干扰观测器。根据干扰观测误差在线调节神经网络权值,实现对未知综合干扰的逼近,逼近误差一致最终有界。基于神经网络干扰观测器设计了自适应Terminal滑模控制方案,严格证明了闭环系统状态在有限时间内收敛到零,从而提高了状态的收敛速度。最后,通过一个倒立摆的仿真例子,验证了系统的快速性和神经网络干扰观测器的逼近能力。

不确定多变量线性系统的快速收敛Terminal滑模控制

针对一类不确定多变量线性系统,提出一种对数型快速Terminal滑模变结构控制方案,设计了对数型非线性Terminal滑模超曲面及其相应的变结构控制律。研究结果表明:系统状态在有限时间内收敛至Terminal滑模面上,随后系统保持在滑模面上并在有限时间内收敛到平衡点。与普通快速Terminal滑模相比,在滑模面上能以更短的时间到达平衡点。仿真结果证明了该方法的有效性。

基于自适应非奇异终端滑模的Buck变换器控制

为了提高滑模控制下Buck变换器的控制性能并降低抖振,提出一种自适应非奇异终端滑模控制方法.首先,对Buck变换器进行建模与分析,得到存在扰动时的数学模型;其次,设计非奇异终端滑模面,进行控制器设计和稳定性分析,使得闭环系统在有限时间内收敛并避免控制奇异问题,同时利用自适应律得到尽量小且足够抑制扰动的动态控制增益以削弱抖振;最后,通过理论分析和仿真实验验证所提控制方法的有效性.结果表明:该控制方法可以在减弱控制抖振的同时使得Buck变换器的输出电压在有限时间内跟踪上参考电压;当Buck变换器中的负载电阻和输入电压突变时,所提方法亦能表现出良好的抗干扰能力.

模糊Terminal滑模变结构控制

普通的 Terminal 滑模控制器当误差较大时收敛的速度较慢·文中提出了一种新的 Terminal 模糊滑模控制方法。使其既具有普通 Terminal 滑模控制的优点,即保证了输出跟踪误差在有限时间内收敛到零,使系统的动态性能优于普通滑模中的性能;又使系统具有快速响应的特性,而且具有较好的鲁棒性。仿真结果表明,使用 Terminal 模糊滑模控制器控制十字梁实验系统是可行的。

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。

Three-dimensional guidance law based on adaptive integral sliding mode control

For the terminal guidance problem of missiles intercepting maneuvering targets in the three-dimensional space, the design of guidance laws for non-decoupling three-dimensional engage- ment geometry is studied. Firstly, by introducing a finite time integral sliding mode manifold, a novel guidance law based on the integral sliding mode control is presented with the target acceler- ation as a known bounded external disturbance. Then, an improved adaptive guidance law based on the integral sliding mode control without the information of the upper bound on the target accel- eration is developed, where the upper bound of the target acceleration is estimated online by a designed adaptive law. The both presented guidance laws can make sure that the elevation angular rate of the line-of-sight and the azimuth angular rate of the line-of-sight converge to zero in finite time. In the end, the results of the guidance performance for the proposed guidance laws are pre- sented by numerical simulations. Although the designed guidance laws are developed for the con- stant speed missiles, the simulation results for the time-varying speed missiles are also shown to further confirm the designed guidance laws.

基于非奇异terminal滑模控制的车辆横向控制算法研究

针对车辆数学模型非线性、强耦合等特点,设计了基于非奇异terminal滑模控制器,该控制器适用于非线性系统,相较于传统滑模控制器,能够在有限时间内使系统误差收敛到零。但是在应用非奇异terminal滑模控制器的过程中发现,系统抖振过大,为了削弱抖振幅度,将控制率中的符号函数设计为修正的饱和sat函数,从而有效削弱系统抖振。利用MATLAB中的simulink进行了车辆横向控制仿真实验,实验结果表明,相较于传统滑模控制器,在跟踪期望路径时能够更加快速地使跟踪误差收敛至零,相较于采用符号函数sgn的非奇异terminal滑模控制器,可大幅度削弱车辆前轮转角抖振幅度,抖振幅度有效减小90%~95%。

FTASMC在光电跟踪系统中的应用

针对存在多种扰动源的光电跟踪系统,提出有限时间自适应滑模复合控制(finite time adaptive sliding mode compound control,FTASMC)策略。首先,将各类扰动看做等效干扰,设计基于super-twisting的高阶滑模干扰补偿器对其进行快速的估计补偿;其次,为提高控制精度,提出一种新的双幂次自适应滑模控制(double power adaptive sliding mode controller,DASMC)策略,在控制器设计过程中,采用双幂次理论结合终端滑模控制理论设计一种新型滑模面,并通过设计一种新型自适应快速滑模趋近律,得到能够保证系统在有限时间内全局快速收敛的控制率。最后,使用Lyapunov理论及实验仿真证明所提出的控制策略有效。

基于有限时间小超调预设性能控制的三维滑模末制导律设计

为了实现对高速机动目标的特定攻击角拦截,本文结合控制领域的新型控制方法——有限时间小超调预设性能控制设计了新型三维滑模末制导律。为了确保视线角和视线角速率能够在有限时间内收敛至期望值,通过视线角偏差和视线角速率偏差构建了线性滑模面;在趋近律设计上,基于有限时间小超调预设性能控制分别设计了视线偏航平面和视线俯仰平面的制导指令,保证跟踪误差可以按预设的收敛时间收敛,并且超调量约束在较小范围内,同时引入非线性有限时间观测器对制导指令中包含的目标加速度项进行估计,进一步提高了制导精度。通过仿真可知,本文制导律可以实现不同拦截条件下对目标的特定攻击角拦截,与现有的快速终端滑模制导律相比,可以保证滑模变量在有限时间内小超调收敛,同时实现特定角度打击,拦截机动目标时脱靶量可以控制在1 m以下,提升了系统的稳态性能和瞬态性能。

基于滑模方法的无人直升机有限时间悬停控制

针对无人直升机的位置和姿态控制中存在不确定和外部干扰的悬停问题,提出一种基于滑模方法的有限时间飞行控制策略。首先,对无人直升机的六自由度模型进行分析,将模型分为位置模型和姿态模型两个部分;其次,在悬停状态下对模型做简化处理,根据位置和姿态之间的特点以及控制要求,分别采用非奇异终端滑模和积分滑模设计位置控制器和姿态控制器,并在Lyapunov理论框架下证明系统误差能在有限时间内收敛至平衡点;最后,通过仿真分析表明该控制策略具有良好的控制性能。

Three-dimensional adaptive finite-time guidance law for intercepting maneuvering targets

To intercept maneuvering targets at desired impact angles, a three-dimensional terminal guidance problem is investigated in this study. Because of a short terminal guidance time, a finitetime impact angle control guidance law is developed using the fast nonsingular terminal sliding mode control theory. However, the guidance law requires the upper bound of lumped uncertainty including target acceleration, which may not be accurately obtained. Therefore, by adopting a novel reaching law, an adaptive sliding mode guidance law is provided to release the drawback. At the same time, this method can accelerate the convergence rate and weaken the chattering phenomenon to a certain extent. In addition, another novel adaptive guidance law is also derived; this ensures systems asymptotic and finite-time stability without the knowledge of perturbations bounds.Numerical simulations have demonstrated that all the three guidance laws have effective performances and outperform the traditional terminal guidance laws.

Robust Chattering-Free Finite Time Attitude Tracking Control with Input Saturation

This paper addresses the attitude tracking control problem of a rigid spacecraft in the presence of the modeling uncertainty,external disturbance,and saturated control input by designing two robust att计ude tracking controllers.The basic controller is formulated using an integral sliding mode surface which is continuous and provides an asymptotic convergence rate for the closed-loop system.In this case,only the external disturbance with the prior information is considered.Then,to provide a finite time convergence rate and further improve the robustness of the control system under the unknown system uncertainty containing both the modeling uncertainty and external disturbance,a novel integral terminal sliding mode surface(ITSMS)is designed and associated w计h the continuous adaptive control method.Besides,a command filter is utilized to deal with the immeasurability problem within the proposed ITSMS and an auxiliary system to counteract the input saturation problem.Digital simulations are presented to verify the effectiveness of the proposed controllers.

基于EDEM的装载机工作装置运动轨迹控制研究

针对装载机工作装置控制系统在实际运行时存在收敛速度慢、跟踪精度低、干扰项(铲装阻力)难以估计等问题,提出了一种基于离散单元法(DEM)的铲装阻力补偿的非奇异快速终端滑模控制方法。首先,推导出了装载机工作装置的数学模型;在EDEM中对工作装置的铲装阻力进行了研究,并与非奇异快速终端滑模控制结合,得到了带有铲装阻力补偿的非线性反馈控制律;然后,采用Lyapunov函数对所提控制方法做了性能论证;最后,在MATLAB/Simulink中,验证了所设计控制系统的稳定性和收敛特性,且与比例微分滑模控制器(PDSMC)、分数阶比例微分滑模控制器(FOPDSMC)做了对比分析。研究结果表明:在无干扰和有干扰2种工况下,采用基于铲装阻力补偿的非奇异快速终端滑模控制方法,轨迹跟踪误差的均方根误差(RMSE)分别降至对照组数据的8%和22%,误差收敛速度可分别提升70%和57%;以上结果说明,基于铲装阻力补偿的非奇异快速终端滑模控制方法的综合表现更好。