Model Parameters Identification and Backstepping Control of Lower Limb Exoskeleton Based on Enhanced Whale Algorithm

Exoskeletons generally require accurate dynamic models to design the model-based controller conveniently under the human-robot interaction condition.However,due to unknown model parameters such as the mass,moment of inertia and mechanical size,the dynamic model of exoskeletons is difficult to construct.Hence,an enhanced whale optimization algorithm(EWOA)is proposed to identify the exoskeleton model parameters.Meanwhile,the periodic excitation trajectories are designed by finite Fourier series to input the desired position demand of exoskeletons with mechanical physical constraints.Then a backstepping controller based on the identified model is adopted to improve the human-robot wearable comfortable performance under cooperative motion.Finally,the proposed Model parameters identification and control are verified by a two-DOF exoskeletons platform.The knee joint motion achieves a steady-state response after 0.5 s.Meanwhile,the position error of hip joint response is less than 0.03 rad after 0.9 s.In addition,the steady-state human-robot interaction torque of the two joints is constrained within 15 N·m.This research proposes a whale optimization algorithm to optimize the excitation trajectory and identify model parameters.Furthermore,an enhanced mutation strategy is adopted to avoid whale evolution’s unsatisfactory local optimal value.

Adaptive Predefined-Time Backstepping Control for Grid Connected Photovoltaic Inverter

The system performance of grid-connected photovoltaic(PV)has a serious impact on the grid stability.To improve the control performance and shorten the convergence time,a predefined-time controller based on backstepping technology and dynamic surface control is formulated for the inverter in the grid-connected photovoltaic.The time-varying tuning functions are introduced into state-tracking errors to realize the predefined-time control effect.To address the“computational explosion problem”in the design process of backstepping control,dynamic surface control is adopted to avoid the analytical calculations of virtual control.The disturbances of the PV system are estimated and compensated by adaptive laws.The control parameters are chosen and the global stability of the closed-loop is ensured by Lyapunov conditions.Simulation results confirm the effectiveness of the proposed controller and ensure the predefined time control in the photovoltaic inverter.

A new optimal adaptive backstepping control approach for nonlinear systems under deception attacks via reinforcement learning

In this paper,a new optimal adaptive backstepping control approach for nonlinear systems under deception attacks via reinforcement learning is presented in this paper.The existence of nonlinear terms in the studied system makes it very difficult to design the optimal controller using traditional methods.To achieve optimal control,RL algorithm based on critic–actor architecture is considered for the nonlinear system.Due to the significant security risks of network transmission,the system is vulnerable to deception attacks,which can make all the system state unavailable.By using the attacked states to design coordinate transformation,the harm brought by unknown deception attacks has been overcome.The presented control strategy can ensure that all signals in the closed-loop system are semi-globally ultimately bounded.Finally,the simulation experiment is shown to prove the effectiveness of the strategy.

基于RBF神经网络的磁悬浮时滞系统Backstepping控制与仿真

磁悬浮系统能使铁磁性物体悬浮在空中,可以应用于科研、医疗、娱乐、交通等多个领域。为了解决非线性、不稳定磁悬浮系统的控制问题,建立了磁悬浮时滞系统的数学模型,采用了Backstepping控制以及RBF神经网络和Backstepping控制结合的方法进行研究,采用李雅普诺夫稳定性理论分别设计非线性控制器,保证闭环系统的理论稳定。在此基础上,利用Radial basis function (RBF)神经网络的逼近特性,设计了自适应律,研究了对系统中未知函数的拟合。最后,通过MATLAB对两种控制方法的效果进行对比,仿真结果表明,两种方法均能使系统稳定,RBF神经网络与Backstepping控制结合的方法能较快实现稳定,效果更好,且RBF神经网络对未知函数的拟合效果也良好。

高阶系统变增益固定时间动态面Backstepping控制

为解决一类存在未知建模误差、外部扰动的非线性系统控制在快速性、准确性、鲁棒性方面的问题,提出变增益固定时间动态面Backstepping控制器。首先,为每一层子系统设计具备新型结构的固定时间Backstepping控制器和固定时间动态面滤波器,使系统状态跟踪误差和滤波误差可在固定时间内完成收敛,收敛时间上界仅与设计参数有关。然后,为控制器和滤波器设计变增益函数,兼顾了大误差阶段的收敛快速性与小误差阶段的收敛准确性。仿真结果表明,所提方案可使系统在1.76 s内完成收敛,快于对比方案的5.51 s和3.68 s,证明了所提方案的优越性和有效性。

Backstepping Sliding Mode Control Based on Extended State Observer for Hydraulic Servo System

Hydraulic servo system plays an important role in industrial fields due to the advantages of high response,small size-to-power ratio and large driving force.However,inherent nonlinear behaviors and modeling uncertainties are the main obstacles for hydraulic servo system to achieve high tracking perfor-mance.To deal with these difficulties,this paper presents a backstepping sliding mode controller to improve the dynamic tracking performance and anti-interfer-ence ability.For this purpose,the nonlinear dynamic model is firstly established,where the nonlinear behaviors and modeling uncertainties are lumped as one term.Then,the extended state observer is introduced to estimate the lumped distur-bance.The system stability is proved by using the Lyapunov stability theorem.Finally,comparative simulation and experimental are conducted on a hydraulic servo system platform to verify the efficiency of the proposed control scheme.

基于Backstepping的多矢量推力平流层飞艇控制方法研究

平流层飞艇是在20km高空平流层区域飞行的飞艇,该区域大气密度和飞行速度较低,使得传统的驱动器,比如气动控制面等效率降低。主要研究多矢量推力平流层飞艇的动力学建模以及非线性控制器的推导、设计和仿真的实现。在Backstepping理论设计基础上,为带矢量推力的平流层飞艇设计了姿态控制器,并通过MATLAB软件进行了仿真验证。实验结果显示,基于Backstepping设计的非线性控制器在动态性方面效果显著,能够较好地完成对系统全局镇定以及对给定位置及偏航角的渐进追踪。该方法保证了补偿跟踪误差在李雅普诺夫意义下的指数稳定性,同时给出了稳定性分析和仿真结果。

考虑状态受限和一致性的微电网二次控制

为解决交流微电网下垂控制产生的偏差问题,本文采用二次控制对分布式电源输出电压和频率进行调节.将微电网看成分布式多智能体系统,智能体间通过稀疏网络进行通信,运用多智能体一致性协议,本文提出一种基于障碍Lyapunov函数和自适应模糊系统的二次电压和频率控制器.采用障碍Lyapunov函数设计控制器,不但能保持系统的稳定性,还可使输出的电压和频率限制在预设的范围内.采用自适应模糊系统可对系统中的一些参变量的变化进行估计,提高了控制器的鲁棒性.本文给出了严格的稳定性证明.通过对负载变化,以及拓扑结构改变等的仿真测试,验证了所提方案的有效性.

Actuator Fault Diagnosis for a Class of One-Dimensional Nonlinear Heat Equations via Backstepping Method

In this paper, an actuator fault diagnosis scheme based on the backstepping method is proposed for a class of nonlinear heat equations. The fault diagnosis scheme includes fault detection, fault estimation and time to failure (TTF) prediction. Firstly, we achieve fault detection by comparing the detection residual with a predetermined threshold, where the detection residual is defined as the difference between the observer output and the system measurement output. Then, we estimate the fault function through the fault parameter update law and calculate the TTF using only limited measurements. Finally, the numerical simulation is performed on a nonlinear heat equation to verify the effectiveness of the proposed fault diagnosis scheme.

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

面向海流扰动和通信时延的欠驱动AUV编队跟踪控制

由欠驱动自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)编队组成的水下探测阵列具有响应快、机动性好、智能化程度高的特点。针对无速度信息传输的多AUV在海流和时延复合扰动下的编队控制问题,提出一种虚拟轨迹、轨迹预测、自适应反演滑模控制技术相结合的编队控制方法。使用领航者的位置信息和期望队形得到跟随者的参考轨迹,并引入虚拟轨迹使其与跟随者参考轨迹有限时间重合,从而得到跟随者的期望位置和速度。在此基础上,使用最小二乘法拟合轨迹曲线进行时延补偿,并通过自适应反演滑模控制技术完成海流干扰下的编队轨迹跟踪。理论分析和仿真结果表明,新方法具有可行性和有效性。

未知扰动下的无人艇编队优化轨迹跟踪控制

[目的]针对水面无人艇(USV)编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制(FDO-OBC)方法。[方法]首先,基于虚拟结构法,建立无人艇编队控制框架,并设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;然后,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,利用扰动观测器信息来计算最优控制输入,实现无人艇编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明该编队控制方法的稳定性。[结果]仿真对比结果表明,FDO-OBC策略可有效提高无人艇编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]对于面向扰动环境下的无人艇编队控制系统设计,FDO-OBC方法提供了一种新的技术手段。

基于切换系统的独立微电网稳定控制设计

独立微电网是一个复杂的非线性系统,为解决典型光储柴独立微电网在能源约束下存在控制单元切换的问题,提出将非线性切换系统理论应用到主从控制下的主控单元切换问题上。首先,当主从控制下的储能系统和柴油发电机分别作为主控单元时,将它们视为两个子系统,建立非线性切换系统模型。然后,应用多Lyapunov函数法分析切换系统的稳定性,同时利用backstepping方法分别设计子系统的非线性控制器,保留系统的非线性特征。最后,采用美国国家能源实验室开发的仿真软件中的硬充电策略作为切换策略,保证切换过程中系统的稳定性。通过MATLAB仿真证明了所设计方法的有效性。

基于广域测量的汽轮发电机励磁反步控制方法

由于汽轮发电机励磁反步控制过程中没有实时获取发电机的运行数据,致使电机励磁反步控制效果较差,为此提出基于广域测量的汽轮发电机励磁反步控制方法。通过广域测量系统的同步相量测量单元,实时采集汽轮发电机功角与电流等运行数据,将采集的运行数据变更成标幺值形式,根据该形式建立汽轮发电机励磁控制的数学模型,获取励磁反步控制变量,并结合反步法,设计汽轮发电机励磁反步控制器,通过径向基函数神经网络估计控制器内的扰动,完成控制器扰动补偿。实验结果表明:该方法可精准采集汽轮发电机运行参数,有效反步控制汽轮发电机励磁,令汽轮发电机功角与转子角速度等迅速恢复至稳定状态,具备较优的反步控制效果;应用该方法后,可确保电网运行稳定性,降低故障后电网切机量。

基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制

[目的]针对拖轮的自主靠泊控制问题,研究基于虚拟船领导的目标跟踪控制策略在拖轮自主靠泊中的应用。[方法]首先,将拖轮的自主靠泊过程转变为虚拟拖轮和实际拖轮的目标跟踪控制过程;然后,设计靠泊系统的运动学模型,考虑靠泊场景中的特殊环境干扰,使用反步法和滑模控制法(SMC)设计全回转尾推进拖轮的自主靠泊控制器,提供了3种不同的滑模面设计并使用李雅普诺夫函数进行稳定性验证;最后,采用仿真实验的方式,通过靠泊轨迹、速度误差和距离误差来对控制的效果进行验证。[结果]仿真实验结果表明,设计的拖轮自主靠泊控制策略以及控制器在拖轮自主靠泊场景中具有较好的效果,面对系统的不确定干扰有较好的表现。[结论]该控制策略以及靠泊控制器的适用性以及鲁棒性较好,以全新的角度实现了拖轮自主靠泊控制,为后续拖轮的靠泊控制研究提供了新的方向。

基于扰动观测器的PMSM系统自适应反步滑模控制

针对负载转矩波动和系统参数变化的永磁同步电机(PMSM)系统的控制问题,提出了一种带有非线性扰动观测器的自适应反步滑模位置跟踪控制方法。首先,设计了自适应反步滑模控制器,以确保电机位置快速收敛到期望值,并设计了自适应收敛增益,以减小电机位置响应下的大的过冲;其次,设计非线性扰动观测器估计未知扰动,并为自适应反步滑模控制提供前馈补偿,以提高系统的鲁棒性,并减少稳态位置误差。仿真结果表明,该方法可以有效减少过冲,很好地实现了PMSM系统的快速位置跟踪控制,具有良好的抗扰动性能。

融合反步法的无人驾驶汽车轨迹跟踪控制方法

为了解决无人驾驶汽车轨迹跟踪控制的准确性、稳定性和快速性问题,将反步法分别融合滑模变结构控制和模糊自适应控制.建立车辆三自由度运动学位姿误差微分方程,推导了基于反步法的车速和横摆角速度控制律,结合Lyapunov稳定性判据验证了系统稳定性.分别建立融合反步法的滑模变结构和模糊自适应轨迹跟踪控制方法,结合轨迹跟踪稳态误差、超调量和调整时间,验证、比较了控制方法准确性、稳定性和快速性3种性能的优劣.结果表明:融合反步法的滑模变结构轨迹跟踪控制的稳定性最好,轨迹跟踪超调量接近于0;融合反步法的模糊自适应轨迹跟踪控制快速性最好,轨迹跟踪调整时间相对于反步法缩短了18.2%.

一类具有复杂执行器动态的双曲线型偏微分方程输出调节

本文研究了一类具有边界执行器动态特性的双曲线型偏微分方程(Partial differential equation, PDE)系统的输出调节问题.特别地,执行器由一组非线性常微分方程(Ordinary differential equation, ODE)描述,控制输入出现在执行器的一端而非直接作用在PDE系统上,这使得控制任务变得相当困难.基于几何设计方法和有限维与无限维反步法,本文提出了显式表达的输出调节器,实现了该类系统的扰动补偿及跟踪控制.并且我们采用Lyapunov稳定性理论严格证明了闭环系统及跟踪误差在范数意义上的指数稳定性.仿真实例对比验证了所提出控制方法的有效性.

Buck型变换器预设时间自适应反演控制

针对存在负载变化和外界干扰的Buck型变换器系统,提出一种预设时间自适应反演控制方法,给出系统调节时间最小上界值与控制参数的直接关系,减少调参复杂度。构造二次分式型虚拟控制器,避免虚拟控制器微分引起的奇异性问题,并确保输出电压在预设时间内收敛至参考电压附近邻域。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

钢轨打磨车专用EHA非线性反演控制

为提高钢轨打磨车打磨钢轨的平顺性及稳定性,提出以电动静液作动器(EHA)代替传统液压作动系统作为钢轨打磨车的专用执行器,考虑柱塞泵的总效率波动和液压缸动静摩擦差异大2个非线性因素,建立非线性数学模型;建立EHA的MATLAB、AMESim联合仿真模型,对PID控制、滑模变结构控制、反演控制进行控制策略对比研究,仿真分析验证反演控制在响应快速性及稳定性方面具有良好的表现。搭建四象限平台对EHA进行反演控制负载试验,结果表明:其位移控制精度达0.21 mm,具有较好的控制性能。