非完整机器人系统有限时间跟踪控制设计及应用

作     者：卞金山 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张中才

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：非完整系统 滑模控制 中继切换 固定时间跟踪控制 有限时间跟踪控制 事件触发控制 

摘      要：非线性系统有限时间控制理论的发展为非完整系统的发展及应用提供了重要理论依据与基础.相比于渐近稳定控制而言,有限时间控制有更快的收敛速度,更高的控制精度以及更好的抗干扰性.众所周知,非完整系统作为非线性系统的分支在实际生活中被广泛应用.例如,非完整移动机器人作为非完整系统特定模型备受青睐.因此,本文针对非完整机器人系统,借助非奇异终端滑模、反步法、中继切换技术等控制方法,探究其非完整机器人系统有限时间轨迹跟踪控制.根据以下三部分,阐述主要的研究工作:1.针对一类非完整移动机器人系统,研究其固定时间轨迹跟踪控制.首先,将系统模型通过状态变换和输入变换转化为非完整链式系统.其次,通过建立跟踪误差系统,将跟踪控制问题转化为跟踪误差系统镇定问题,利用中继切换技术和构造改进型非奇异终端滑模面来设计出控制器,以此保证跟踪误差系统在固定时间内收敛.最后,仿真和实验结果进一步说明了所提的控制算法能实现非完整移动机器人固定时间跟踪控制的效果.2.针对一类受全状态约束下的非完整系统,设计了一种固定时间轨迹跟踪控制器.首先,采用中继切换技术将控制系统分为两个独立阶段进行控制器设计.其次,在保证第一阶段第一个子系统固定时间收敛的基础之上,在第二阶段中通过引入固定时间滤波器并且结合BLF、反步法、动态面控制对跟踪误差系统进行固定时间跟踪控制器设计.同时,在中继切换之前需重新构建控制器保证系统切换前的有界性.最后,稳定性分析表明,所提的跟踪控制策略能保证整个误差状态系统在固定时间内收敛到零并且遵循预先设定的状态约束.3.针对一类受未知干扰下的非完整系统,研究其基于事件触发有限时间轨迹跟踪控制策略.一个关键的核心设计是利用中继切换技术将整个非完整跟踪控制系统分成两个独立阶段设计,进而利用非线性设计方法设计出不同的有限时间跟踪控制器和相对应的事件触发规则.一方面,稳定性分析表明,所提的事件触发有限时间跟踪控制器能保证整个闭环跟踪误差系统状态收敛到零点附近的邻域,同时在整个控制过程中闭环误差系统所有信号保持有界.另一方面,在中继切换之前跟踪控制器被重新构建来保证跟踪误差系统不产生逃逸现象.最后,仿真和实验的相关结果表明了所设计的基于事件触发有限时间跟踪控制器有效性.