控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2023年第7期

• 具有输出/全状态约束的固定时间滑模控制

  安炳合,王永骥,樊慧津,刘磊,王博

  本文主要解决具有约束的二阶系统的固定时间跟踪控制问题, 分别讨论了具有输出约束与具有全状态约束的控制算法设计. 首先, 为解决输出约束下的固定时间控制问题, 本文构建了具有输出约束的新型终端滑模变量,并设计了具有扰动抑制能力的固定时间滑模控制律, 保证系统输出始终满足约束条件, 同时跟踪误差在固定时间内收敛到原点的充分小的邻域内. 进一步, 为了处理具有全状态约束的控制问题, 本文构建了具有全状态约束的终端滑模变量并设计了相应的固定时间滑模控制律. 鉴于系统控制律的不连续性, 文章采用非光滑分析及Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性. 最后, 在数值仿真中, 将本文提出的方法与传统固定时间滑模方法进行对比,验证了所建立算法的有效性.

• 一类不确定系统的自适应滑模迭代学习控制

  施卉辉,陈强

  本文针对一类在有限时间内执行重复任务的不确定非线性系统状态跟踪问题,提出一种自适应滑模迭代学习控制方法, 在存在初始偏移的情况下也能实现对参考轨迹的完全收敛. 本文通过设计全饱和自适应迭代学习更新律, 估计参数和非参数不确定性以及未知期望控制输入, 并将估计值限制在指定界内, 避免估计值的正向累加.文章设计的自适应滑模迭代学习控制方法对系统模型的信息需求少, 在对系统非参数不确定性的上界估计时不需要Lipschitz界函数已知. 本文给出严格的理论分析, 证明闭环系统所有信号的一致有界性以及跟踪误差的一致收敛性, 并通过仿真验证所提控制方法的有效性。

• 计及随机传感器时滞的不确定半Markov跳变系统鲁棒滑模控制

  张林闯,孙永辉,王建喜,张宇航,侯栋宸,王森

  在实际系统中, 系统参数与结构随机变化、未知外界干扰、传感器时滞等现象时有发生并严重影响了系统的稳定运行. 为了解决这一问题, 本文提出计及随机传感器时滞的一类不确定半Markov跳变系统鲁棒滑模控制方法, 其中系统的传感器时滞通过使用Bernoulli随机分布进行描述. 考虑系统状态信息不可测量条件下, 文章设计模态依赖Luenberger 观测器去估计半Markov 跳变系统的运行状态. 然后, 本文构造一个积分滑模面并借助随机Lyapunov理论, 提出两种半Markov跳变系统的随机稳定性分析方法. 进而, 文章提出基于观测器的滑模控制方法使得系统状态能够在有限时间内到达滑模面上以及滑模动态在H∞性能指标γ下是随机稳定的. 最后, 通过一种基于他励直流电动机模型的数值仿真例子验证所设计的滑模控制方法的有效性与正确性.

• 时滞的非完整动力学系统滑模抗干扰跟踪控制

  陈华,王梦琪,陈云

  针对具有外部扰动和时滞的非完整轮式移动机器人系统, 本文阐述了一种基于非线性扰动观测器的时滞滑模控制方法. 首先, 利用扰动观测器估计系统的外部扰动; 然后, 用极坐标转化移动机器人的姿态, 并用计算转矩法对机器人的动力学方程进行反馈线性化. 设计带时滞控制的滑模, 目的是使移动机器人渐近稳定在期望轨迹上,并有效地减小控制增益的过高估计. 最后, 利用李雅普诺夫函数建立闭环系统的稳定性. 仿真结果表明, 该方案具有良好的跟踪精度和鲁棒性.

• 具有量化输入和边界扰动的柔性臂边界振动滑模控制

  马艺飞,楼旭阳,吴炜

  本文针对量化输入和有界扰动下柔性臂系统的振动抑制和边界滑模控制器设计问题开展研究. 柔性臂的动态特性由偏微分方程表示的分布参数模型描述. 对于具有未知有界干扰的柔性臂系统, 其主要控制目标是减小干扰的影响, 使柔性臂到达期望角度并同时抑制系统的振动. 首先, 利用边界输出信号构造滑模函数和滑模面. 其次, 结合所构造的滑模面, 设计一种边界滑模控制器, 并利用算子半群理论证明了闭环系统的适定性. 所提出的边界滑模控制策略保证了系统状态能够在有限时间内到达滑模面, 并且系统状态在滑模面上是指数收敛的. 最后, 通过物理实验验证了所提出控制策略的有效性.

• 基于扰动和摩擦补偿的柔性机械臂系统 非奇异快速终端滑模控制

  王军晓,闫小东,徐建明

  本文针对系统中存在的关节摩擦、动力学参数不确定性和外部负载干扰等因素引起的柔性机械臂系统控制性能下降的问题, 提出了一种基于扰动和摩擦补偿的非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC-DE-FC). 首先, 设计扰动估计器(DE)对系统未知动态参数和负载干扰进行估计. 然后, 针对扰动估计器不能精确估计的关节摩擦力矩进行辨识. 最后, 利用滑模控制技术设计非奇异快速终端滑模控制器, 并将扰动估计值和摩擦力辨识值以前馈的方式进行补偿, 实现对柔性机械臂系统给定参考轨迹跟踪的准确性以及对外界扰动的鲁棒性. 值得注意的是, 与传统只使用扰动估计器的方法相比, 本文考虑到了摩擦力等非线性因素的影响, 并利用辨识技术对摩擦力进行辨识, 提高了控制精度. 利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性. 实验结果表明, 相较于非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC)和基于扰动估计器的非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC-DE), 所提方法提高了柔性机械臂系统的轨迹跟踪性能.

• 基于三阶超螺旋滑模观测器算法的机器人力矩估计方法

  从永正,程盈盈,胡正

  本文研究了六自由度(6-DOF)机器人关节力矩估计问题. 为了提高机器人关节力矩估计精度, 设计一种三阶超螺旋滑模关节力矩观测器. 在对观测器系统进行稳定性分析时, 本文设计了一种新的Lyapunov 函数证明了观测器闭环系统的稳定性. 与已有的机器人力矩观测器结果不同, 该力矩观测器仅以机器人关节角度作为观测器输入信号, 减少了对机器人系统信息的依赖. 最后, 以6-DOF工业机器人为对象, 开展实验验证. 实验结果表明, 与传统线性力矩观测器相比, 本文提出的滑模力矩观测器估计误差小, 验证理论的正确性.

• 基于自适应阈值与扩张状态滑模观测器的AUV执行机构故障检测与估计

  吴云凯,胡大海,朱志宇,曾庆军

  作为自主式水下机器人（AUV）的重要组成部分，执行机构的可靠性对系统的安全运行具有重要意义。本文以AUV 六自由度模型为基础，提出了一种基于自适应阈值与扩张状态滑模观测器相结合的故障检测与估计机制。首先，将模型中除去控制输入的部分扩张成新的系统状态，得到估计值和实际值之间的残差；其次，针对执行机构的未知扰动，设计了一种改进的自适应阈值以监测残差的变化，进一步降低了误诊率与漏诊率；随后，在扩张状态的结构基础上设计滑模观测器，将观测器的增益求解转化为线性矩阵不等式（LMI）约束优化问题；最后，通过动态滑模面的设计实现了抖振的抑制并论证了该动态滑模面的收敛性，同时引入等效控制输出误差注入原理，实现了AUV 执行机构的故障重构。仿真结果表明，本文所提方法对AUV 执行机构的故障具有较好的检测灵敏度和估计精度。

• 永磁同步直线电机的分数阶超螺旋滑模控制

  赵静,林智昌,姜斌,肖敏,高志峰,徐丰羽

  为了提高永磁同步直线电机的跟踪性能, 增强系统的鲁棒性, 本文提出了分数阶超螺旋滑模控制策略. 首先, 针对外部扰动以及系统的未知状态设计广义超螺旋观测器, 其能够精确估计永磁同步直线电机的速度和外部扰动. 其次, 将分数阶理论和终端滑模控制理论相结合, 提出有限时间收敛的分数阶超螺旋滑模控制器, 以实现永磁同步直线电机的跟踪控制. 最后, 通过仿真对比验证所提方案的有效性.

• 基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

  张智鑫,刘旭东

  为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能, 本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略. 论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型, 根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律, 设计了位置跟踪控制器, 所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器, 并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛. 为了进一步提高系统的抗扰动性能, 本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿. 然后, 文章对系统整体进行了稳定性证明. 最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证. 结果表明, 该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快, 对外部干扰具有强鲁棒性.

• 基于改进型滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制

  王孝洪,连维钊,翟名扬

  永磁同步电机无位置传感器控制技术通常使用滑模观测器观测反电动势, 进而获取转子位置和速度信息.为提升滑模观测器的性能, 本文设计了一种改进型自适应超螺旋滑模观测器. 首先, 文章在超螺旋滑模观测器结构中增加观测误差的线性项, 以提高观测器的动态性能. 接着, 为解决观测器增益在不同速域下参数不匹配的问题, 本文提出一种观测器参数自适应调整策略, 提升了观测器参数鲁棒性. 在此基础上, 采用同步参考系滤波器滤除输出信号的高次谐波, 进一步提高观测精度. 最后, 仿真结果表明, 与传统方法相比, 本文提出的方法观测性能更好, 鲁棒性更强.

• 多区域互联电力系统的自适应滑模负载频率控制(英文)

  王志鹏,陈向勇,刘华伟,刘学强,邱建龙

  本文研究了一类计及电动汽车的电力系统中的负荷频率控制问题, 首先, 将电动汽车模型与传统的负载频率控制模型相结合,在未知扰动波动范围的条件下设计了自适应滑模控制律. 其次, 分别考虑了电网调频中的匹配扰动和不匹配扰动问题, 并利用李亚普诺夫稳定性理论导出了匹配和不匹配条件下的系统稳定的充分条件. 最后, 两个区域电力系统的仿真结果表明, 电动汽车作为电源和负载都可以提高电网的频率稳定性, 所设计的控制器可以有效地调节电网的频率波动.

• 四旋翼无人机安全轨迹跟踪控制

  孙谷昊,曾庆双,蔡中泽

  针对存在安全约束的四旋翼无人机, 为了保证其能够快速稳定地跟踪给定轨迹, 本文提出了一种基于双闭环思想及控制障碍函数求解二次规划问题的控制器设计框架. 首先, 考虑到无人机的模型不确定性及外界干扰问题, 基于快速非奇异终端滑模面设计了双闭环标称控制器, 能够实现有限时间快速收敛. 进一步地, 为了解决无人机遇到的状态、距离约束等安全控制问题, 利用控制障碍函数, 将带有约束的控制器设计问题转化成二次规划的求解问题. 最后, 对提出的控制策略进行了仿真, 验证了控制器的快速性和鲁棒性, 并实现了给定轨迹的安全跟踪.

• 具有执行器故障的四旋翼无人机有限时间容错控制

  张思洁,吴怀宇,郑秀娟

  本文主要研究了四旋翼无人机在外部干扰、执行器存在部分失效和偏置故障并发情况下有限时间轨迹跟踪的控制问题. 通过分析四旋翼无人机动力学特性, 构建了带有外部干扰、执行器机构故障的动力学模型. 基于鲁棒全局快速终端滑模控制算法, 设计了一种有限时间容错控制器, 提高了系统对故障的响应速度. 其次, 针对常值/时变故障和干扰，在控制器设计中采用改进的连续函数进行补偿, 减少了由切换函数引起的系统抖振, 并基于Lyapunov函数对控制器的稳定性进行了分析. 最后, 通过仿真实验验证了所设计控制器的有效性和可靠性, 同时存在执行器故障和外部干扰的情况下, 无人机能够实现较好的轨迹跟踪性能.

• 飞翼无人机复合连续非奇异终端滑模姿态跟踪容错控制

  赵振华,顾子箫,薛鹏翔,曹东,祖家奎

  本文针对受多源干扰和舵面故障影响的飞翼无人机系统姿态跟踪控制问题进行研究, 提出了一种基于高阶滑模观测器的复合连续非奇异终端滑模主动抗干扰容错控制算法, 在实现姿态跟踪误差有限时间收敛的同时, 保证了控制量的连续. 并且针对控制力矩的具体实现问题, 结合飞翼无人机气动舵面冗余特性, 给出了基于加权伪逆算法的舵面分配方案, 该方案在满足舵面约束的情况下, 保证了舵面偏转角度的最优. 仿真结果表明, 所提控制方案显著提升了飞翼无人机姿态跟踪精度和跟踪误差的收敛速度, 并且保证了所有舵面满足偏角约束.

• 农用拖拉机的自适应二阶滑模路径跟踪控制

  丁晨,魏新华,梅珂琪

  针对农用拖拉机在未知扰动影响下的路径跟踪控制问题, 本文提出了基于自适应二阶滑模和扰动观测技术的路径跟踪控制策略.首先, 建立含有未知扰动项的路径跟踪偏差模型, 通过利用自适应控制和改进的加幂积分技术,构造自适应二阶滑模路径跟踪控制方法, 该控制方法削弱了滑模控制中存在的抖振影响.其次, 为了解决大扰动下控制增益调整过度的问题, 通过将鲁棒精确微分器和自适应二阶滑模控制结合, 构造复合的路径跟踪控制方法.严格的Lyapunov分析表明横向偏差和航向偏差均在有限时间内稳定到原点.最后, 仿真结果验证了本文设计的制导方法能够保证农用拖拉机能快速且稳定地跟踪上任意弯曲的参考路径.

• 跨座式捷运车辆编组分布式固定时间协同巡航控制

  刘浩鸣,刘朝涛,杜子学,邬浩鑫,侯忠伟

  为解决跨座式捷运车辆编组协同巡航控制问题，本文提出了基于固定时间理论的跨座式捷运车辆编组分布式协同巡航控制方法。首先建立了跨座式捷运车辆编组动力学模型，明确了编组队列的控制目标，构建了分布式固定时间协同巡航控制架构，提出了跨座式捷运车辆编组分布式固定时间协同巡航控制方法。然后运用代数图论描述编组间的通讯拓扑关系，应用了分布式固定时间终端滑模估计器估计领航编组的位置和速度，设计了分布式固定时间滑模控制器，并基于Lyapunov稳定性理论证明了控制器的稳定性。最后进行了加速-巡航常规工况仿真实验，验证了所提出控制方法的有效性。

• 推进器饱和/故障下的无人艇固定时间指定性能容错控制

  王宁,王仁慧,刘永金

  针对系统动态未知的无人艇在推进器故障与饱和约束下轨迹跟踪问题, 提出一种基于固定时间扩张状态观测器的积分滑模容错控制方法. 首先, 构造固定时间扩张状态观测器, 同时实现未知速度信息、集总未知非线性的准确估计; 进而, 通过引入一种新型设定时间性能函数, 约束位姿跟踪误差, 并利用误差转换函数将其转化为无约束误差动态系统; 在此基础上, 结合固定时间积分滑动模态与饱和补偿动态系统, 设计固定时间控制策略, 保证系统实际固定时间稳定且位姿跟踪误差严格位于指定范围内; 最后, 仿真研究验证所提出控制方法的有效性与优越性.

• 载人潜水器的干扰特性分析与自适应滑模控制

  张琪杰,方星,刘飞,高翔

  针对在实际运行中会受到未知外部环境干扰和模型不确定性等因素影响的蛟龙号载人潜水器系统, 本文设计了一种基于干扰特性指标的新型自适应滑模控制方法, 实现对有益干扰的利用和有害干扰的补偿. 首先, 给出载人潜水器系统的运动学和动力学模型; 然后, 设计非线性干扰观测器估计系统所受的集总扰动, 并提出一种扇形区域干扰特性指标, 用于判断干扰对系统的影响; 其次, 设计一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法, 并且根据李雅普诺夫理论进行严格的稳定性分析; 最后, 通过数值仿真, 验证所设计的滑模控制方法的优越性. 其优越性主要体现在: 不仅能够有效缓解抖振现象, 并且避免控制增益高估的问题.

• 基于迭代学习观测器的航天器姿态主动容错控制

  曹腾,龚华军,薛艺璇,文梁栋

  针对含有外部扰动和执行器故障的一类航天器姿态控制系统, 提出基于迭代学习观测器的主动容错控制方案. 首先, 建立了含有外部扰动和执行器故障的航天器姿态控制系统的运动学和动力学模型; 其次, 为了提高观测器的故障估计精度, 在传统迭代学习观测器设计基础上引入上一时刻状态估计误差信息, 提出一种改进型学习估计算法. 进一步, 基于滑模控制和指定时间稳定理论, 利用学习观测器的故障估计信息设计指定时间主动容错控制器. 与现有的航天器主动容错控制方案相比, 本文所提出的算法的优势在于可以使故障系统的姿态能在指定时间跟踪上指令信号. 基于Lyapunov方法, 从理论上证明了改进型学习观测器和姿态容错控制系统的稳定性. 最后, 通过数值仿真, 说明了所提容错控制方案的有效性和可行性.