Sliding mode fault tolerant consensus control for multi-agent systems based on super-twisting observer

The fault-tolerant consensus problem for leader-following nonlinear multi-agent systems with actuator faults is mainly investigated.A new super-twisting sliding mode observer is constructed to estimate the velocity and undetectable fault information simultaneously.The time-varying gain is introduced to solve the initial error problem and peak value problem,which makes the observation more accurate and faster.Then,based on the estimated results,an improved sliding mode fault-tolerant consensus control algorithm is designed to compensate the actuator faults.The protocol can guarantee the finite-time consensus control of multi-agent systems and suppress chattering.Finally,the effectiveness and the superiority of the observer and control algorithm are proved by some simulation examples of the multi-aircraft system.

Observer-Based Control for a Cable-Driven Aerial Manipulator under Lumped Disturbances

With the increasing demand for interactive aerial operations,the application of aerial manipulators is becoming more promising.However,there are a few critical problems on how to improve the energetic efficiency and pose control of the aerialmanipulator forpractical application.In this paper,a novel cable-drivenaerialmanipulatorused for remote water sampling is proposed and then its rigid-flexible coupling dynamics model is constructed which takes joint flexibility into account.To achieve high precision joint position tracking under lumped disturbances,a newly controller,which consists of three parts:linear extended state observer,adaptive super-twisting strategy,and fractional-order nonsingular terminal sliding mode control,is proposed.The linear extended state observer is adopted to approximate unmeasured states and unknown lumped disturbances and achieve model-free control structure.The adaptive super-twisting strategy and fractional-order nonsingular terminal sliding mode control are combined together to achieve good control performance and counteract chattering problem.The Lyapunovmethod is utilized to prove the overall stability and convergence of the system.Lastly,various visualization simulations and ground experiments are conducted,verifying the effectiveness of our strategy,and all outcomes demonstrate its superiorities over the existing control strategies.

基于干扰观测器的升力式飞行器改进离散滑模控制研究

升力式飞行器具有飞行空域宽、速度变化范围大、机动性强等特点,是近年来国内外的研究热点。本文针对升力式飞行器模型大不确定及外界干扰强带来的控制难题,提出了一种基于干扰观测器的改进离散滑模变结构控制方法。首先,建立了俯仰通道的离散控制模型。其次,设计了一种基于干扰估计的改进离散滑模变结构控制律,并证明了其稳定性。再次,分析了参数选择对控制系统的影响,验证了控制律的有效性。最后,与传统的离散滑模变结构控制方法进行了比较。仿真结果表明,与传统的离散滑模控制方法相比,本文提出的控制律控制精度更高、鲁棒性更强、滑模面收敛速度更快及抖振更小,可有效提高升力式飞行器的飞行品质,实现复杂任务的稳定控制。

基于模糊算法的双三相PMSM无传感器控制

针对现有高速情况下双三相永磁同步电机无传感器控制精度低,增益值固定的问题,提出一种提高精度同时可变换增益值的基于模糊离散型超螺旋滑模观测器。首先,对双三相永磁同步电机的数学模型与电流方程进行分析;其次,结合电流方程与超螺旋算法构建超螺旋滑模观测器并利用反向差分离散法进行离散化,同时加入模糊控制得到变换增益值,解决了超螺旋滑模观测器受固定增益值限制无法兼具收敛速度快和观测误差小的问题;最后,在MATLAB环境下搭建了仿真模型对所提算法进行验证,仿真结果表明了新型观测器精度高的同时也能够改变增益值从而快速收敛。

基于离散积分滑模的四旋翼编队跟踪控制

针对四旋翼编队的轨迹跟踪问题,提出一种基于离散积分滑模的分布式编队控制器。首先,建立四旋翼的离散模型,并将其分为位置系统和姿态系统。其次,基于一致性理论和图论知识建立四旋翼编队的拓扑图,对位置系统采用离散积分滑模控制方法,对姿态系统采用指数趋近律的滑模控制方法,并进行编队一致性分析。最后,利用离散扩张观测器估计并补偿外界干扰和不可建模部分。仿真结果表明,所设计的分布式控制器能使四旋翼形成编队并跟踪给定轨迹。

基于改进的离散域二阶滑模观测器的内置式永磁同步电机无位置传感器控制

滑模观测器由于对系统不确定性具有良好的鲁棒性,逐渐应用于永磁同步电机无位置传感器控制中,但是在实际应用中滑模观测器的抖振现象会严重影响系统控制性能。该文提出一种用于内置式永磁同步电机无位置传感器控制的改进的二阶滑模观测器,采用基于Super-twisting算法的二阶滑模观测器,不同于常规的通过滑模观测器估算得到反电动势分量的方法,该方法基于内模控制原理引入二阶广义积分器,通过滑模观测器估算得到反电动势误差分量,再经过二阶广义积分器得到估算的反电动势分量,能够在保证估算准确性的同时很好地抑制系统抖振。同时,为了消除数字实现过程中的离散化误差和估算反电动势分量的耦合项,提高估算的准确性,重新构建了基于扩展反电动势的离散域数学模型,并基于该模型设计了改进的离散域Super-twisting滑模观测器。最终将估算得到的扩展反电动势分量用于估算转子位置和转速。通过实验对该文提出方法的有效性进行了验证。

基于新型广义离散趋近律的微波加热温度控制

微波加热固体介质是一个介质物理参数变化和温度动态响应的复杂过程。对此,设计了一种新的微波加热系统控制策略。首先,结合双源微波加热系统模型,设计了一种能快速收敛的广义离散趋近律,并证明了趋近律能改善系统的动态性能。然后,基于该趋近律,结合干扰观测器设计了一种滑模控制算法。之后,在内部热传导损耗和外部扰动作用下,基于该滑模控制算法设计微波加热温度控制器。接着,在控制器的作用下,分析了系统在误差收敛时间、抑制扰动、消除抖振等方面的动态性能。最后,结合仿真实例说明了所提控制策略具有更高的控制精度、更短的收敛时间。

基于扰动估计的电子节气门离散快速终端滑模控制及实验性能分析

针对电子节气门数字控制中不确定性与扰动导致的控制精度低问题,提出一种新型离散快速终端滑模控制器。首先,基于欧拉离散化方法建立节气门离散模型,并考虑全部参数的不确定性以及进气扰动。采用延迟估计器对系统扰动总集进行估计,并补偿到控制器中,使滑动变量的稳态性能提升至采样步长的高阶精度。然后,基于离散滑模到达条件设计改进离散快速终端滑模控制率。理论证明了所提出的控制器拥有更佳的稳态精度,并揭示了采样步长和关键控制参数对系统性能的影响规律。最后,设计两种实验测试信号,与传统离散滑模控制进行对比,结果表明所提出的控制器拥有更快的响应速度和更高的控制精度,尤其是节气门连续小角度变化时动态跟踪性能良好。

受扰直流降压变换器自适应离散滑模控制设计与实现

直流变换器在能量转换系统中起到至关重要的作用.针对直流降压变换器系统中存在的多源干扰问题,本文提出了一种基于观测器的复合离散滑模控制方案.为获得高电压跟踪精度和强抗干扰能力,在控制器中引入了干扰估计信息的二阶差分.通过干扰估计和前馈补偿,有效地消除了干扰对变换器电压跟踪精度的影响.同时,为削弱抖振影响,文中设计了一种新型的自适应滑模趋近律,并针对闭环系统给出了严格的稳定性与收敛性能分析.此外,本文基于快速原型控制器进行不同工况下变换器系统实验测试.结果表明,相比于传统离散滑模控制,文中所研究的复合控制器具备较强的抗干扰能力和较高电压跟踪精度.

二维直线电机的无模型高阶滑模解耦控制

针对二维直线电机运动系统存在的非线性、多变量、不确定性以及强耦合作用对控制精度的影响,提出一种无模型高阶滑模解耦控制方法。以紧格式动态线性化无模型控制技术为基础,设计一种数据驱动滑模面并验证滑模面的渐进稳定性;利用高阶滑模控制思想设计高阶滑模控制律,对二维直线电机XY轴进行整体控制,减小位置跟踪误差,并进行稳定性和收敛性证明。采用自适应解耦控制策略,设计离散扩张状态观测器对系统两轴间耦合、未建模动态和未知外部干扰进行估计和补偿,进一步实现系统的解耦。仿真和实物实验结果表明,所提方案能够有效提高二维直线电机的位置控制精度。

基于离散滑模观测器的锂电池荷电状态估计

锂电池的荷电状态(state of charge,SOC)估计是电池管理系统的重要组成部分,针对锂电池非线性的特性,提出了采用离散滑模观测器估计锂电池荷电状态的方法,给出了离散滑模观测器的设计方法及其稳定性证明。基于锂电池的戴维南等效电路模型,给出了该方法的设计过程,在不同的充放电电流倍率和环境温度下,进行了锂电池模型的参数辨识,通过与常用的扩展卡尔曼滤波法相比较,分析了离散滑模观测器对锂电池SOC估计的精度、鲁棒性和算法复杂度等方面的性能。实验结果表明,采用该算法可实现锂电池SOC快速精确地估计,误差可控制在约3%,验证了该方法的可行性。

离散型变增益永磁同步电机超螺旋滑模观测器

针对传统滑模观测器存在的固有抖振问题,提出一种离散变增益永磁同步电机超螺旋滑模观测器。首先,该观测器增益随电机转速及系统内部状态动态调整,实现了宽范围变转速工况下的滑模抖振抑制。其次,设计一阶低通滤波器提高滑模控制系统暂态过程中的鲁棒性,基于反证法验证滑模轨迹在有限时间内的收敛性。最后,提出一种新型矢量控制策略对系统电流环d、q轴进行充分解耦,基于混合定向策略从观测器输出提取α、β轴有效反电动势分量,结合反电动势变换矩阵进行电流环内的前馈补偿。实验结果验证了该文所提出控制策略的有效性和实用性。

全景式航空相机的离散滑模控制

为了提高全景式航空相机镜筒速度控制系统的动态特性,使其具有响应速度快且超调小的特点,本文提出一种基于降维状态观测器的离散滑模控制方法,对镜筒角速度、角加速度进行观测,并对其速度系统进行控制.针对高氏趋近律带来的控制抖振和稳态抖振问题,本文采用幂次函数趋近律的方法,并对这种方法进行了无抖振理论分析以及稳定性证明.最后以某全景式航空相机作为实验平台,将基于幂次函数趋近律的离散滑模控制应用到镜筒速度控制系统中.实验结果表明,本文提出的控制方法能够有效地减小系统的抖振,使镜筒速度控制系统表现出良好的动态品质.

基于干扰观测器的离散滑模控制算法

为了降低离散滑模控制过程中的抖振,减轻控制器的负担,提高控制精度,针对线性参数不确定性离散系统,构造了一种基于干扰观测器的离散滑模控制算法,并给出了稳定性证明。理论分析和数值仿真均表明,该算法可以实现对干扰高精度的实时估计;切换函数最终将收敛于与干扰变化率和系统采样时间有关的小范围。数值仿真还表明,用幂次函数代替算法中的符号函数或饱和函数后,可以彻底消除控制器输出和切换函数中的高频抖振,这对于提高实际工程应用中控制器的寿命和改善系统的控制性能具有重要的意义。

无刷直流电机离散滑模观测器直接转矩控制

分析了非理想反电势下无刷直流电机传统脉宽调制电流控制产生电磁转矩脉动的原因。为便于计算机控制,采用离散滑模观测器获取无刷直流电机反电势,进而完成电磁转矩的估算,并证明了离散滑模观测器的到达条件和稳定条件。在此基础上,提出无刷直流电机直接转矩控制。该方法采用转矩滞环的输出和磁极位置来选择电压空间矢量,可有效抑制非理想反电势和低速换相电磁转矩脉动。仿真结果证明了其正确性。

矿用并联混合注入式APF控制策略的研究

针对煤矿供电网高压大容量环境下的谐波治理问题,提出了一种新型并联混合注入式有源电力滤波器(shunt hybrid injection active power filter,SHIAPF);在SHIAPF动态补偿电网谐波的过程中,电流跟踪控制的快速性和准确性对系统的补偿效果起着非常重要的作用;谐波检测方面采用改进的瞬时无功功率谐波检测算法,可以更为快速准确的提取谐波;谐波补偿控制方面采用基于状态预测观测器的离散滑模控制算法,该算法实时跟踪控制效果良好;通过MATLAB仿真验证,并在以DSP为控制核心芯片的系统样机中进行实验,结果表明利用SHIAPF补偿后电网电流总畸变率降为2.5%,具有很好的补偿性能,可以提高和改善煤矿供电网的电能质量。

容错逆变器驱动的PMSM双环预测控制的研究

为了提高三相四开关容错逆变器驱动的永磁同步电机调速系统的性能,提出了调速系统双闭环预测控制策略。在转速环中设计了带扰动补偿的模型预测控制方法,通过离散扰动观测器估计负载扰动并进行前馈补偿,与模型预测速度控制相结合得到q轴电流环的期望给定值。在电流环中设计了基于离散滑模的有限控制集模型预测控制方法。通过与传统PI、FCS-MPC方法进行仿真对比,验证了该方法在空载启动、给定转速突变以及存在负载扰动、参数变化时,可使容错逆变器驱动的永磁同步电机调速系统具有更好的动态响应能力和鲁棒性。

永磁同步电机离散滑模位置估计与性能分析

针对永磁同步电机无传感器控制系统的转子位置估计问题,设计了一种基于离散滑模扰动观测器的转子位置估计算法。通过将反电动势视为扰动信号,设计离散滑模扰动观测器,获取反电动势估计值,从而进一步求出位置估计值,并在离散域中对观测器的收敛性进行分析。该方法省去了传统位置估计算法中的低通滤波和相位补偿环节,简化了观测器结构,避免了由相位滞后补偿不准确导致的位置估计误差,且该算法结构简单,易于工程实现。实验结果表明,该算法能够获得平滑的反电动势估计值,精确解算出转子位置估计值,能够应用于低成本永磁同步电机无传感器控制系统。

基于滑模观测器的一阶系统时滞识别方法的仿真研究

针对控制系统中常见的时滞现象,以一阶系统为研究对象,基于滑模控制方法设计一种新型观测器。以经典一阶注水系统的时滞问题为例,建立一阶注水系统的离散时滞模型;分别假设注水系统存在输入时滞、输出时滞和输入输出双时滞,利用滑模观测器预估不同时滞情况的时滞量。利用Matlab/Simulink对系统中的时滞量进行预估仿真。结果表明,滑模观测器具有时滞量预估功能,可用于时滞量较小的控制系统时滞识别。

基于变速趋近律的离散滑模末制导律设计

针对离散化的末制导模型,基于一种新型离散变速趋近律设计了离散滑模制导律。利用该新型离散变速趋近律的特性消除了视线角速率的稳态振荡,使其渐进地趋于原点,并显著降低了系统抖振。将目标机动视为未知不确定性,采用干扰观测器方法对其进行在线估计和补偿,无需知道不确定性的界,只需知道其变化率有界,且无需满足匹配条件。仿真结果表明,所设计的基于新型离散变速趋近律的滑模制导律对目标机动具有鲁棒性,且无稳态振荡和系统抖振。