基于Super-Twisting滑模S面的无人机路径跟踪控制

针对小型固定翼无人机在执行任务时跟踪精度低以及容易受外界风影响的问题,设计基于Super-Twisting滑模S面(STSM S-Plane)的路径跟踪控制器,同时采用内外双环控制模式。外环即速度环采用Super-Twisting滑模控制,内环即姿态环采用S面控制。考虑到S面控制求导易导致积分爆炸的问题引入了二阶微分器,并对外界风组成进行建模研究。最后通过空间特殊曲线来验证所设计算法的控制性能。仿真结果表明,所设计的算法可以实现固定翼无人机对期望路径的精确跟踪,并具有良好的鲁棒性和抗干扰性能。

永磁同步电机的自适应Super-Twisting滑模直接转矩控制

针对永磁同步电动机直接转矩控制存在超调和转矩脉动大的问题,提出一种自适应的Super-Twisting滑模控制策略。首先,采用Super-Twisting滑模控制代替传统的滞环比较控制方式,来设计磁链控制器和转矩控制器;其次,在Super-Twisting滑模控制的基础上作出进一步改进,利用双曲正切函数取代符号函数,并在Super-Twisting滑模控制中的连续部分引入一个自适应因子,构成新的自适应Super-Twisting滑模控制策略;最后,使用MATLAB/Simulink软件搭建模型,对永磁同步电动机直接转矩控制系统进行仿真实验。结果表明,提出的改进Super-Twisting滑模控制器,在不同实验条件下的直接转矩控制系统中实现了无超调控制,转矩脉动值仅为0.2 N·m,减小了约39%。

一种用于电液位置伺服系统控制的高阶滑模控制器的设计

这里提出了一种用于电液位置伺服系统控制的高阶滑模控制器的设计,以提高电液位置伺服系统的控制准确度。从电液伺服系统的构造出发,分析了其组成结果与工作过程。以外界输入电压为依据,求取了滑阀的动力学模型,通过液压缸两个子缸压力差值形成的负载压力,计算出了滑阀动态运动时产生的流量,并通过负载压力得出了负载的位移平衡方程,进而以滑阀位移、负载位移及输入电压等系统的状态参数,获取了电液伺服系统的动力学模型。引入超螺旋控制器和广义超螺旋控制器的一般表达形式,以输入电压误差及负载位移误差为依据,构造了系统的滑动面函数,并将滑动面函数的导师与超螺旋控制器相结合,构造了基于超螺旋控制器的滑模控制器,为了提高系统的收敛速度,在基于超螺旋控制器的滑模控制器的基础上,借助广义超螺旋控制器,构造了高阶滑模控制器,以对电液位置伺服系统进行控制。实验结果表明,所提算法不仅具有较好的响应速度,而且对电液位置伺服系统的控制准确度较高,在对目标轨迹跟踪时,所提方法比模糊干扰观测器方法的跟踪准确度提高了33.11%。说明所提方法对电液位置伺服系统具有较好的控制性能。

基于PFC电路直流纹波抑制的二阶自适应滑模控制器设计

文中提出一种背靠背型中性点钳位式(back-to-back neutral point clamped,BT-NPC)功率因数校正(power factor correction,PFC)电路,并设计二阶自适应滑模控制方法用于提高电路鲁棒性与降低电流谐波含量。首先,分析所提三电平PFC电路工作特性,推导该电路的等效模型及其模态扰动,并分析模态扰动量对其工作特性的影响;然后,结合高阶滑模理论与自适应控制两者的优点,设计二阶自适应滑模控制器,既使电路具有变结构控制的良好鲁棒性,又能最大限度的减小控制震颤。同时,基于电流带宽分析,设计比例谐振控制器补偿交流电流与工频相位,并设计基于扩张状态观测器的直流电压采样滤波方法,用于消除二倍频纹波造成的电流谐波影响。最后,基于BT-NPC电路,搭建220 V/50 Hz、1 kW/400 V的实验样机,实验结果验证所提变换器的可行性和控制方法的有效性。

永磁同步电机新型趋近律滑模控制器设计

针对传统指数趋近律因函数不连续性引起抖振、趋近速度与抖振抑制之间无法同时满足高性能控制系统要求的问题,提出基于系统状态变量的新型滑模趋近律,并应用于永磁同步电机速度、电流控制器中。趋近律引入系统状态变量幂次项和状态变量的双曲正弦值,使系统状态变量以等速和指数2种速率趋向切换面,可以加快系统到达切换面的速度,当系统接近切换面时,指数项接近于0,等速项开始起关键作用,对系统的抖振进行抑制。同时采用双曲正切开关函数替代符号函数,以去除因函数的不连续性所引起的抖振问题。既能提高系统到达滑模面的速度,又能有效抑制固有抖振,提升系统的动态性能。仿真和实验结果表明,新型趋近律相比于传统指数趋近律能够有效降低永磁同步电机启动时转速超调,提高系统的响应速度,抑制系统的抖振。

基于模糊滑模控制器的机械臂自适应控制研究

为提高机械臂自适应控制精度,研究了基于模糊滑模控制器的机械臂自适应控制方法。通过设计干扰观测器,可以估计机械臂动力学模型内的外界干扰值;依据外界干扰值,对机械臂进行前馈补偿控制;以前馈补偿控制力矩为基础,设计模糊滑模控制器,完成机械臂自适应控制。实验结果表明,该方法可有效自适应控制机械臂,令机械臂各关节运行轨迹精准跟踪指定轨迹,且控制后的运行轨迹平滑,无抖动现象,即该方法可提升机械臂自适应控制精度与抗干扰性。

高速列车分布式super-twisting滑模控制研究

针对不确定因素及外界干扰下高速列车分布式协同控制问题,提出基于super-twisting滑模一致性算法的高速列车速度跟踪控制策略。首先,考虑列车受到的外部干扰、基本阻力及车厢间耦合作用力,构建高速列车多智能体模型;其次,利用相邻车厢的位移和速度信息设计一致性滑模函数,引入super-twisting算法削弱控制输入抖振;最后,设计分布式二阶滑模控制律,并采用Lyapunov理论验证算法稳定性。以高速列车实际参数进行仿真研究,并加入外界干扰,利用本文方法、普通一致性、PID一致性及滑模一致性方法进行仿真。结果表明,相较于其他3种方法,所提算法能使车厢单元快速、精准跟踪目标速度曲线,速度误差在(-0.8~1.1)×10^(-3)m/s内,同时使相邻车厢距离保持在安全范围内,且控制输入较平滑,对外部干扰有较好的鲁棒性。

基于改进Super-Twisting算法和电流预测的PMSM调速控制

针对永磁同步电机传统PI控制器存在响应速度慢、控制精度低、鲁棒性差等问题,该文提出一种改进调速控制方案。首先,将全局快速积分型终端滑模理论与广义Super-Twisting算法相结合,基于Anti-Windup原理设计改进广义Super-Twisting积分终端滑模速度控制器,并采用新型分段指数函数优化控制律;其次,设计改进扩展扰动观测器对系统未知扰动进行前馈补偿;最后,在电流环引入无差拍电流预测控制器,进一步改善系统的动态响应。仿真结果表明,所提出的改进控制方案能够有效提高调速系统的动态控制性能、控制精度和鲁棒性。

基于模糊终端滑模控制器的路径跟踪横向控制策略

为了解决智能车辆采用传统滑模控制器(SMC)时跟踪精度较差和稳定性欠佳的问题,提出了一种基于模糊终端滑模控制器(FTSMC)的路径跟踪横向控制策略.首先,建立了车辆二自由度动力学模型和路径跟踪误差模型,并采用改进的指数趋近律设计了终端滑模控制器(TSMC).其次,为解决SMC抖振问题,通过模糊逻辑在线优化指数趋近律中的边界层,并基于Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的稳定性.最后,建立了Matlab/Simulink和Carsim联合仿真模型,验证了所提控制策略的有效性.结果表明,在低、高车速两种工况下,FTSMC的横向位移偏差最大值分别降低了14.4%和23.3%,横摆角偏差最大值分别降低了11.0%和18.9%,抖振现象得到了显著的抑制.

基于Super-Twisting滑模观测器无刷直流电机调速控制

无位置传感器无刷直流电机作为动力送风呼吸防护装备的动力来源,以它为核心的动力送风系统动态性能指标决定了使用者的安全性和舒适性。针对常规滑模观测器在无位置传感器无刷直流电机控制过程中存在高频抖振以及转子位置相位滞后的问题,设计了一种基于Super-Twisting的二阶滑模观测器,其抑制了因一阶滑模面存在的不连续相而产生的抖振,以及因采用低通滤波器而导致的相位滞后和幅值衰减,同时对滑模观测器的开关函数进行改进。在此基础上采用磁场定向控制的双闭环控制系统进行系统调速仿真,同常规滑模观测器进行对比。实验结果表明:基于Super-Twisting滑模观测器的控制系统有效地抑制了系统抖振,降低了转子位置估算中存在的相位滞后,提升了电机转子位置的估算精度。其动态性能指标均优于常规滑模观测器的控制系统,提升了系统控制性能,达到了送风呼吸防护装置预期的控制效果。

基于双滑模控制器的开关磁阻电机调速策略

针对开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)传统滑模控制方法响应速度慢、抖振大且鲁棒性差的问题,该文提出一种基于双滑模控制器的开关磁阻电机调速策略。首先,设计全局积分滑模速度控制器(global integral sliding model speed controller,GISMSC),消除系统到达滑模面的过程,提高响应速度和鲁棒性,并通过改进趋近律来减小滑模抖振;其次,设计扰动滑模观测器(disturbance sliding mode observer,DSMO),对负载和未知扰动进行观测,并前馈补偿至全局积分滑模速度控制器中,进而复合构成双滑模速度控制器,并将其作为速度外环与模型预测控制(model predictive control,MPC)相结合,减小转矩脉动的同时提升其调速性能;最后,仿真和实验考虑到转速和负载突变以及电机参数失配等情况,结果表明,所提方法不仅提高了系统调速性能,减小了转矩脉动,而且克服了电机内部参数变化和外部扰动的影响,使系统具备更强鲁棒性。

基于分数阶Super-Twisting滑模的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对存在外界干扰的四旋翼无人机轨迹跟踪问题,提出了一种分数阶Super-Twisting滑模控制器。基于双闭环控制策略,将四旋翼无人机系统解耦为位置子系统和姿态子系统;利用Super-Twisting算法设计出滑模控制器,可在消除系统抖振的同时实现全局有限时间收敛;为了进一步提高系统的控制精度和抗干扰性,引入了分数阶微分积分算子;最后,与传统Super-Twisting滑模和积分终端滑模进行的仿真对比,验证了所提算法的优越性。

一种改进指数趋近律滑模控制器的PMSM矢量控制研究

滑模控制因其具有良好的控制性能,广泛地应用于永磁同步电机高精度调速场合。使用滑模控制设计永磁同步电机矢量控制转速环控制器时,传统的指数趋近律滑模控制器,在系统靠近滑模面时,若参数选取不当,会导致电机抖振。针对这一问题,设计了一种改进指数趋近律,在不影响系统快速性的前提下,使系统状态接近滑模面的速度更为缓慢,稳态性能更好。不同给定转速下的仿真实验证明了所提改进算法的有效性。

汽车防滑刹车系统滑模变结构控制器设计研究

从力学建模、车轮轮胎的简化模型、滑模控制器的设计等3个方面入手,对滑模变结构控制系统进行仿真分析,旨在探索汽车防滑刹车系统滑模变结构控制器的设计方式和优化途径,并研究其对行车安全性能的影响。

基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制

针对传统滑模控制采用不连续的符号函数作为滑模面切换函数所引起的抖振问题,提出一种基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制方法,来削弱抖振,从而改善系统的动、静态性能。首先,设计了改进型滑模控制器和改进型滑模观测器的变结构控制系统。其次,采用连续的开关函数——双曲正切函数作为滑模面切换函数,并通过模糊逻辑控制对双曲正切函数的形状系数进行调整,减弱固定边界层厚度所引起的抖振。然后,运用李雅普诺夫第二定理证明所设计的控制系统的稳定性。最后,与其他方法相比,仿真结果证明了所提方法的可行性和有效性。

基于超扭曲滑模的双定子绕组感应电机转速磁通控制

针对双定子绕组感应电机DSWIMs(dual-stator winding induction machines)在传统直接转矩和磁通控制下转矩、磁通和电流纹波大,在低速下控制磁通难度大、噪声大等问题,提出1种基于超扭曲滑模控制器STSMC(super twisting sliding mode controller)的DSWIMs新型转速和磁通直接控制方法。通过设计满足李雅普诺夫稳定条件的有限时间收敛误差为0的非线性控制器,提出1种DSWIMs新型转矩分配算法,可使DSWIMs在较宽的转速范围内运行,并包括零转速,所需电磁转矩由2组绕组根据其额定功率提供。此外,针对DSWIMs设计了1种基于滑模控制的全阶观测器,能够高精度地估计绕组磁通、磁通角和转子转速,以实现最优磁通状态。最后,在1个3.3 kWDSWIM驱动系统上进行实验测试,评估所提DSWIM控制方案的性能,实验结果证明了所提控制方法、转矩分配算法和全阶观测器在不同速度区域的有效性。

基于多滑模控制器融合的高超声速飞行器再入段跟踪控制方法

针对高超声速飞行器再入段滑模跟踪控制存在的抖振剧烈问题,提出一种基于多滑模控制器融合的跟踪控制方法.该方法采用动力学模型对高超声速飞行器再入过程进行描述,建立高超声速飞行器的攻角、侧滑角和倾斜角跟踪控制方程,结合准二阶连续滑模控制器和超螺旋滑模控制器对再入段进行分阶段的跟踪控制,分别削弱抖振影响,提高跟踪控制性能.通过模型仿真对所提跟踪控制方法的有效性和可行性进行验证,结果表明该控制方法可有效实现高超声速飞行器的轨迹跟踪,在控制力矩响应和姿态角速度跟踪误差积分值上较传统方法具备明显优势,可有效抑制抖振,提升飞行稳定性.

PMSM无模型超螺旋快速积分终端滑模控制

针对永磁同步电机运行过程中因模型不确定、参数摄动和外部扰动等因素的影响,从而导致驱动系统性能下降的问题,提出一种新型控制策略。首先,为减少对系统数学模型的依赖,构建了一个新的超局部模型,用于描述永磁同步电机的转速环。其次,基于转速环的新型超局部模型,结合一种新型积分终端滑模面和改进超螺旋控制律来设计新型无模型超螺旋快速积分终端滑模控制器,实现了对转速的精确控制。再次,采用非奇异快速终端滑模面和双幂次趋近律设计改进扩展非奇异终端滑模扰动观测器,通过精确观测和前馈补偿未知扰动,有效地抑制参数摄动和外部扰动,增强了系统鲁棒性,提高系统的动态性能和稳态性能。最后,通过与传统控制方法的仿真和实验对比,证实所提算法转速抗超调能力提升为0.412 5%,转矩快速响应能力提升0.013 s。结果表明当存在未知扰动时,所提方法具有较强的鲁棒性和良好的抗干扰性。

基于观测器的高速列车半主动悬架滑模容错控制

高速列车长期处于高强度、强干扰、长距离的运行环境中,悬架系统出现执行器故障等情况都会影响列车运行过程中的安全。针对此问题,提出了一种基于滑模观测器的滑模容错控制方法。首先,构建了含有执行器故障的高速列车横向动力学模型,设计了滑模观测器,对执行器未知故障值进行实时估计;然后,将故障估计值输入滑模控制器,设计了滑模变结构容错控制器,计算得出列车姿态平稳所需的等效输出阻尼力,以实现包含执行器故障的半主动悬架系统容错控制,并且结合Lyapunov稳定性理论对滑模容错控制器的稳定性进行了分析;最后,通过实验验证了所设计的滑模观测器能够使各变量观测值在0.3 s左右跟踪上实际值,跟踪精度达到90%左右,并且同样验证了所设计的滑模控制器相较于传统PID控制器在悬架发生执行器故障的情况下有更好的鲁棒性。

基于分数阶滑模控制的光伏并网模型预测直接功率控制

针对外界扰动情况下的光伏并网模型预测直接功率控制(model predictive direct power control,MPDPC)系统中存在系统抖振、功率跟踪速度慢、并网电流总谐波失真率较高等问题,提出一种改进分数阶滑模电压控制器,该策略在直流侧母线电压外环采用了分数阶微积分理论.首先,构造分数阶非奇异快速终端滑模面函数,削弱系统抖振,提高系统动态性能;然后,构造分数阶双幂次指数趋近律,引入加权积分型增益和饱和函数,有效避免系统在非滑动模态阶段时切换增益的增大,提高系统控制精度;最后,设计新型分数阶电压环控制器并运用于光伏并网系统中.研究结果表明,改进后的分数阶滑模电压控制器能够满足光伏并网MPDPC系统的各项基本需求,抑制系统抖振,提高功率跟踪性能,降低并网电流总谐波失真率,有效解决可再生能源和公共电网电能转化的关键难题,对光伏并网系统高性能控制的理论研究具有重要意义.