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基于微分器的伺服系统迭代滑模控制

制造业自动化 2014年第10期36卷 9-12页

作者：刘慧博孙书美内蒙古科技大学信息工程学院包头014010

针对不确定非线性伺服系统中周期性干扰抑制问题,提出一种基于微分器的新型迭代滑模控制器,实现了无需速度测量的迭代滑模控制。利用微分器对系统的状态进行实时估计,根据估计值设计迭代滑模控制器。其中滑模控制保证了系统的鲁棒性;迭... 详细信息

针对不确定非线性伺服系统中周期性干扰抑制问题,提出一种基于微分器的新型迭代滑模控制器,实现了无需速度测量的迭代滑模控制。利用微分器对系统的状态进行实时估计,根据估计值设计迭代滑模控制器。其中滑模控制保证了系统的鲁棒性;迭代控制作为前馈补偿,改善了抑制抖振时带来的静差问题;微分器的引入节省了硬件成本,避免了以往差分法带来的噪声放大问题。最后将该方法应用到某三轴飞行转台伺服系统的控制,仿真结果表明该控制方法可实现伺服系统的高性能控制,具有良好的跟踪效果。

关键词：伺服系统微分器迭代滑模控制飞行转台

基于干扰观测器的机械臂轨迹跟踪滑模控制策略研究

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基于干扰观测器的机械臂轨迹跟踪滑模控制策略研究

作者：王炳辉兰州交通大学

学位级别：硕士

随着自动化技术的急速发展,机械臂已普遍应用在多种领域,在《“十四五”智能制造发展规划》中更是将机械臂列入智能制造装备创新发展行动中。随着工业生产工艺的不断提升,机械臂所担任的任务变的更为复杂,同时制造业从重复性生产向用户... 详细信息

随着自动化技术的急速发展,机械臂已普遍应用在多种领域,在《“十四五”智能制造发展规划》中更是将机械臂列入智能制造装备创新发展行动中。随着工业生产工艺的不断提升,机械臂所担任的任务变的更为复杂,同时制造业从重复性生产向用户定制、个性化生产转型,从而对机械臂的轨迹跟踪控制提出更高要求,因此对于机械臂轨迹跟踪控制方法的研究具有重要价值。本文以两关节机械臂为研究对象,在滑模控制的基础上,对其轨迹跟踪方法进行研究。文章的主要工作如下:(1)文章首先利用Lagrange方程对机械臂动能势能进行分析,进而得到机械臂的数学模型,接着设计了干扰观测器对外界干扰进行观测,得到干扰估计等效为控制输入,从而得到干扰估计后的机械臂模型,接着以传统滑模控制为控制方法进行仿真验证,仿真结果说明了干扰观测器具有抵抗机械臂运行过程中外界干扰的能力。(2)滑模控制方法存在抖振现象,针对这一问题,首先将幂次趋近律和变速趋近律相结合,接着用双曲正切函数代替变速趋近项中的符号函数,使得切换过程平滑,从而削弱抖振,同时保留幂次趋近型中的符号函数,使得状态变量在离滑模面较远时可以快速趋近。接着在干扰估计后的机械臂模型基础上设计控制律,并利用Lyapunov函数对其进行稳定性证明,最后通过仿真对比,说明了所提控制方法有抗干扰能力强、抖振抑制和跟踪速度快的特性。(3)在非奇异终端滑模面的基础上,设计了一种具有切换滑模面特性的非奇异快速终端滑模面,并对其稳定性进行了证明。通过仿真分析,验证了其快速收敛的能力。接着将非奇异快速终端滑模控制与迭代学习控制相结合,提出了非奇异快速终端迭代滑模控制策略。仿真结果表明,相较于非奇异快速终端滑模控制,迭代滑模控制策略拥有更快的趋近速度和更好的削弱抖振的能力,并随着迭代次数的增加,收敛速度提升,进一步提高了跟踪精度。

关键词：机械臂干扰观测器组合趋近律非奇异快速终端滑模面迭代滑模控制

行走式压电直线电机建模及迭代滑模复合控制方法

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行走式压电直线电机建模及迭代滑模复合控制方法

作者：胡柄宇吉林大学

学位级别：硕士

行走式压电平台以行走式压电直线电机为核心部件,克服了普通叠堆式压电平台行程小的缺点,同时拥有更为精确的分辨率,因此逐渐受到高精度制造领域的青睐。本文以行走式压电直线电机为研究对象,完成了对整个行走式压电平台的机理特性分析... 详细信息

行走式压电平台以行走式压电直线电机为核心部件,克服了普通叠堆式压电平台行程小的缺点,同时拥有更为精确的分辨率,因此逐渐受到高精度制造领域的青睐。本文以行走式压电直线电机为研究对象,完成了对整个行走式压电平台的机理特性分析、模型辨识以及跟踪控制工作。文章的主要内容如下:根据实际需求搭建了行走式压电实验平台,首先对行走式压电直线电机的作动机理和实验条件进行简要介绍。接着选择了合适的阶跃、正弦以及扫频激励信号对电机进行特性测试。根据开环测试的实际输入-输出关系获知平台在开环条件下处于非稳定状态,并具有迟滞非线性、多值映射性等特点,因此需要在闭环条件下采集闭环数据用于辨识。最后将压电腿等效为两个叠堆式压电陶瓷固连而成的悬臂梁模型,通过引入压电方程和欧拉-伯努利弯矩方程,经过理论推导结合数据拟合,获得了整个行走式压电平台的机理模型。为了提高模型的精度,采用在工程应用上较为常见的黑箱辨识方法——子空间辨识算法来辨识行走式压电平台。综合考虑环境噪声、测量噪声以及平台的开环不稳定特性,提出了基于变量误差模型(Error-in-variables,EIV)的辅助变量递推子空间辨识算法。采用均值滤波对采集的数据进行预处理,削弱噪声对数据的污染后,利用已知的数据集设计辅助变量实现对噪声的抑制,并结合正交三角分解(RQ分解)和奇异值分解(SVD),通过最小二乘方法(Least square method,LSM)获得系统矩阵。在算法中通过在线RQ分解实现对辅助变量的递推计算,同时在递推过程中引入遗忘因子加强当前数据对辨识结果的影响。设计了两组仿真实验,与其他子空间算法相比,对时不变系统具有更好的辨识精度,同时对时变系统具有良好的辨识能力。最后对平台进行辨识实验,通过与最小二乘及其他算法对比证明了所提算法具有精度优势,并且在三种模拟实际工况的条件下验证了模型的有效性。为实现对行走式压电平台的轨迹跟踪控制,首先依据需求与条件,规划出点到点连续阶跃、正弦和三阶S曲线三种轨迹。接着考虑到经典PID控制和离散滑模控制对平台的控制效果较差,设计了迭代自适应滑模复合控制方案。在控制器设计中通过引入滤波器、饱和函数和基于滑模面的自适应项来改善抖振现象,并加入开闭环迭代学习控制提高轨迹跟踪能力。最后在行走式压电平台上进行三种规划轨迹的跟踪实验,通过实验数据以及设计的数值指标对控制效果进行评价。结果显示,所设计的迭代自适应滑模复合控制器在快速性和稳定性上,明显优于PID以及离散滑模控制器,证明了所提控制器对以行走式压电直线电机为核心的行走式压电平台有良好的控制效果。

关键词：行走式压电直线电机闭环辨识子空间辨识迭代滑模控制

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双舵双桨船舶的航向/航迹自适应滑模控制

双舵双桨船舶的航向/航迹自适应滑模控制

作者：吴红欣大连海事大学

学位级别：硕士

随着世界经济的迅速发展,经济全球化极大的推进了国际间的经济往来,集装箱船舶作为海上运输载体之一日趋繁忙,尽管自2008年金融危机以来,航运业有些低迷,但大型尤其是超大型集装箱船舶可以有效降低单箱运输成本,所以大型化、高速化成为... 详细信息

随着世界经济的迅速发展,经济全球化极大的推进了国际间的经济往来,集装箱船舶作为海上运输载体之一日趋繁忙,尽管自2008年金融危机以来,航运业有些低迷,但大型尤其是超大型集装箱船舶可以有效降低单箱运输成本,所以大型化、高速化成为主要发展趋势。其中采用双舵双桨系统的马士基Triple E达到了载箱18000TEU,具有节能、环保与经济的特性。近年来,船舶自动化的要求逐渐提高,研究双舵双桨船舶运动控制问题具有重要的工程意义与价值。(1)根据MMG模型理论,建立双舵双桨船舶模型以及风、浪、流的干扰模型,并以18000TEU的马士基Triple E为研究对象,进行操纵性仿真计算,并与实船数据对比分析。为后续控制算法研究提供有效的被控对象仿真模型。(2)对双舵双桨船舶在大洋航行条件下的航向控制进行研究。针对模型与外界干扰的不确定性,设计非线性迭代滑模控制算法(NISM),避免了对系统不确定项与未知干扰的估计,减少对精确模型的依赖性,抑制抖振。同时,在迭代滑模算法的基础上引进神经网络方法增强控制器的自适应性,进行参数优化,以加快响应速度。(3)考虑在海流等干扰下,对双舵双桨船舶的直线航迹跟踪控制进行研究。采用非线性迭代滑模控制算法,对船舶航迹横向偏差进行镇定。并使用神经网络对参数进行优化控制,提高双舵双桨船舶的跟踪性能,增强鲁棒性,并分析海流对航行的影响。(4)采用Matlab软件,以马士基Triple E级船舶为研究对象进行航向与航迹的仿真实验,仿真结果表明,本文设计的控制器能有效地应对外界干扰和模型本身的不确定性,均能达到预期控制目标,比较符合船舶实际航行的操作。

关键词：双舵双桨船舶迭代滑模控制参数优化神经网络

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基于迭代滑模算法的机械臂控制

基于迭代滑模算法的机械臂控制

作者：贾东明郑州大学

学位级别：硕士

机械臂系统是一种典型的非线性、强耦合系统。而非线性系统一直是控制领域的热点及难点之一。由于机械臂具有非线性特性,因此其经常被作为一种被控对象来验证非线性控制算法的优劣。机械臂在现代工业过程中起着不可替代的作用,其应用范... 详细信息

机械臂系统是一种典型的非线性、强耦合系统。而非线性系统一直是控制领域的热点及难点之一。由于机械臂具有非线性特性,因此其经常被作为一种被控对象来验证非线性控制算法的优劣。机械臂在现代工业过程中起着不可替代的作用,其应用范围极其广泛,因此对机械臂的研究显得尤为重要。本文首先对机械臂建立动力学模型,因为其动力学模型是研究机械臂的基础。而后分别介绍了在目前机械臂控制中经常使用到的迭代学习控制算法及滑模变结构控制算法的原理,并将以上的两种算法应用于机械臂系统的控制并得出了仿真结果。通过仿真的结果分别分析了两种算法的优缺点,并从本质上说明其优缺点产生的原因。从两种算法优缺点的分析上可以看出,这两种算法具有优势互补的特点,如果将两种算法融合到一起取长补短,则可产生一种新的控制效果更佳的控制算法。因此本文将两种算法融合到一起,产生了新的迭代滑模算法,并进一步分析了迭代滑模算法的原理及控制率的计算。而后将新设计的算法应用于机械臂的控制,并分别与迭代学习控制算法和滑模变结构控制算法的控制结果进行比较,从而得出了新设计的算法的优点。最后作者分析了滑模变结构控制算法沿时间轴方向的收敛性,并证明了迭代滑模算法沿迭代次数方向收敛的条件。迭代滑模算法不仅具有迭代学习算法的控制精度高的优点,而且具有了滑模变结构控制算法的鲁棒性强的优点,因此其可以作为一种非线性控制的有效算法。

关键词：机械臂迭代学习控制滑模变结构控制迭代滑模控制

光伏多功能并网逆变器迭代SMC+LADRC电流内环控制策略研究

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智慧电力 2023年第4期51卷 107-114页

作者：石磊周宏涛赵元莘魏祯德陈曦武旭国网甘肃省电力公司酒泉供电公司甘肃酒泉735099 兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730070

针对LCL型三电平光伏多功能并网逆变器存在谐波谐振、系统抗干扰能力弱、电流跟踪精度低以及新型配电系统下负荷负载的多变复杂性等问题,设计了一种迭代滑模控制与三阶线性自抗扰控制相结合的电流内环综合控制器。首先,建立d-q坐标系下... 详细信息

针对LCL型三电平光伏多功能并网逆变器存在谐波谐振、系统抗干扰能力弱、电流跟踪精度低以及新型配电系统下负荷负载的多变复杂性等问题,设计了一种迭代滑模控制与三阶线性自抗扰控制相结合的电流内环综合控制器。首先,建立d-q坐标系下LCL型三电平逆变器数学模型;其次,设计迭代滑模控制与线性自抗扰控制电流内环控制器,并分析了综合控制器的传递函数、响应速度、跟踪精度和谐波谐振抑制能力;最后,通过仿真验证了文中所提综合控制策略可较好地抑制谐振和电流谐波畸变现象,且电流输出波形质量良好。

关键词：多功能并网逆变器电流内环线性自抗扰控制迭代滑模控制电能质量

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多关节工业机器人同步控制策略研究

多关节工业机器人同步控制策略研究

作者：徐文波兰州交通大学

学位级别：硕士

近年来,随着技术的不断进步,工业机器人得到了快速发展,并在多个领域得到应用。同时应用领域不再仅仅要求工业机器人的稳定性,而且对工业机器人系统的控制精度、快速性、抗干扰性以及同步性能都有相应的要求。所以本文针对工业机器人系... 详细信息

近年来,随着技术的不断进步,工业机器人得到了快速发展,并在多个领域得到应用。同时应用领域不再仅仅要求工业机器人的稳定性,而且对工业机器人系统的控制精度、快速性、抗干扰性以及同步性能都有相应的要求。所以本文针对工业机器人系统控制精度、快速性和稳定性等问题,在单个关节的位置跟踪控制问题上,设计了相应的控制策略。同时在关节间的同步跟踪控制性能问题上,根据多关节工业机器人的控制需求,设计不同的同步控制策略,可以有效的提高单关节的位置跟踪控制精度和关节间的同步控制精度。其中论文的主要工作如下:(1)首先介绍了工业机器人的背景意义和发展史,以及工业机器人控制策略研究的现状,简略叙述了工业机器人的动力学模型的建立过程,为下文提供理论基础。(2)工业机器人的每个关节的控制性能都会对工业机器人的整体性能产生影响,所以针对工业机器人模型信息不确定性以及外界干扰对各个关节的位置控制精度影响的问题,首先在迭代滑模控制策略的基础上引入了RBF(径向基函数)神经网络控制。在一定程度上可以有效的提高工业机器人的单关节跟踪精度,同时加快了跟踪速度。但是加剧了工业机器人系统控制力矩的抖振现象。所以针对工业机器人系统抖振现象,设计了基于RBF神经网络的分数阶趋近律迭代滑模控制策略,可以有效的抑制了系统的抖振问题,同时也降低了系统控制力矩的大小。而且再次提高了关节的位置跟踪精度和跟踪速度。(3)工业机器人的单关节位置控制策略不能有效的解决关节间耦合误差的问题,针对这一问题,在RBF神经网络分数阶趋近律迭代滑模单关节位置控制策略的基础上,提出了偏差耦合同步控制策略。首先在单关节位置误差的基础上,提出了同步误差的定义,进一步定义了偏差耦合误差,设计了基于RBF神经网络的分数阶趋近律滑模偏差耦合同步控制策略,并与其它同步控制策略进行对比得出,本文所提出的同步控制策略,降低了工业机器人控制系统控制力矩的大小以及抑制了控制力矩的抖振现象。同时不仅提高工业机器人的单关节的位置跟踪精度和跟踪速度,而且降低了系统同步误差,提高了系统的同步性能。

关键词：工业机器人 RBF神经网络分数阶微积分迭代滑模控制偏差耦合控制

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多关节机械臂同步控制策略研究

多关节机械臂同步控制策略研究

作者：鲁文儒兰州交通大学

学位级别：硕士

近年来,多关节机械臂被广泛应用于各类不同的生产加工领域,对其控制系统的控制精度要求也越来越高,已由以往简单的稳定性逐渐转向快速性、同步性以及鲁棒性强等方向发展。为满足多关节机械臂控制系统的高精度要求,不仅要对单个关节进行... 详细信息

近年来,多关节机械臂被广泛应用于各类不同的生产加工领域,对其控制系统的控制精度要求也越来越高,已由以往简单的稳定性逐渐转向快速性、同步性以及鲁棒性强等方向发展。为满足多关节机械臂控制系统的高精度要求,不仅要对单个关节进行准确的位置跟踪控制,而且要注重各个关节之间的同步性。因此,根据多关节机械臂控制系统的需求,有针对性的设计不同的同步控制策略,有效的提高了多关节机械臂的单关节位置跟踪控制精度和多关节之间的同步控制精度。本文以多关节机械臂为研究对象,研究了多关节机械臂的位置跟踪控制以及同步控制,主要工作如下:（1）本文介绍了应用于机械臂控制的不同控制算法的研究现状,简单说明了拉格朗日力学法建立机械臂动力学模型的过程,为下文奠定了理论基础。（2）机械臂任意关节的控制性能都影响着控制系统正体的控制精度,为了使每个关节都达到精确的位置跟踪,针对多关节机械臂的单个关节进行了位置跟踪控制策略的研究。首先,设计了迭代滑模位置控制器,有效的弥补了滑模控制算法所存在的抖振现象和迭代学习控制算法鲁棒性差的问题,使机械臂单关节控制系统具有更强的抗干扰能力和较好的跟踪效果。然后,为了进一步提高单关节控制器的位置跟踪性能,将分数阶微积分引入迭代滑模位置控制器中,提出分数阶迭代滑模位置控制器。结果表明分数阶迭代滑模位置控制器可以进一步抑制系统的抖振、提升关节的跟踪效果、加快关节的跟踪速度以及增加参数调节的灵活性。（3）机械臂的单关节位置跟踪控制策略只能保证单关节的位置跟踪控制精度,而不能有效地降低机械臂系统所存在的轮廓误差,针对这一问题提出了基于分数阶迭代滑模位置控制器的PD交叉耦合同步控制策略。首先,通过对机械臂关节同步误差的定义,设计了PD交叉耦合同步控制器。通过与不同的控制策略比较分析得出结论:在基于分数阶迭代滑模位置控制器的PD交叉耦合控制策略下,机械臂关节的位移调整时间和均方根误差更小,同步误差收敛更快,离散程度小,更满足同步精度。（4）由于在前一章中所设计的同步控制器为传统的PD控制,存在难以保证被控对象有较好的动态和静态品质、参数调节繁琐以及证明过程复杂等不足。所以,针对这一问题,提出了分数阶滑模交叉耦合同步控制策略对传统PD交叉耦合同步控制策略进行了改进。通过与PD交叉耦合同步控制策略和PD环形耦合同步控制策略相比较,得出结论:分数阶滑模交叉耦合同步控制策略不仅结构简单、设计方便,而且具有很好的同步控制精度,提高了机械臂控制系统的控制性能。又因为机械臂控制系统的同步误差会带来一定的累积误差,影响系统的控制性能。所以,进一步提出虚拟主轴这一概念,并在交叉耦合同步控制策略的基础上引入平均值虚拟主轴来消除累积误差带来的影响。最后进行对比分析,得出结论:本文所设计的控制策略可以有效地消除多关节机械臂的累积误差,进一步提高了机械臂关节的同步精度。

关键词：机械臂交叉耦合控制虚拟主轴分数阶微积分迭代滑模控制

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横滚约束下的X舵水下航行器控制技术研究

横滚约束下的X舵水下航行器控制技术研究

作者：黄哲敏华中科技大学

学位级别：硕士

进入21世纪以来,随着经济的快速发展与城市化、工业化进程的推进,全球性人口增长和陆地资源短缺等问题日益加剧,人们开始将目光转向海洋资源的探索与开发。作为海洋探索开发过程中最为重要的工程装备之一——自主式水下航行器备受关注。... 详细信息

进入21世纪以来,随着经济的快速发展与城市化、工业化进程的推进,全球性人口增长和陆地资源短缺等问题日益加剧,人们开始将目光转向海洋资源的探索与开发。作为海洋探索开发过程中最为重要的工程装备之一——自主式水下航行器备受关注。X舵水下航行器作为一种采用新型艉舵构型的欠驱动水下航行器,由于其机动性强、安全性高等优点,在国内外无人水下航行器的研究中已逐渐成为主流。但由于欠驱动X舵水下航行器自身具有高度非线性、强耦合性的特点,且海洋环境具有多变复杂的因素,为X舵水下航行器的运动控制系统设计增加了难度。尽管如此,智能运动控制技术作为X舵水下航行器研发设计环节中的重中之重,其直接决定了航行器的作业精度与安全,具备重要科学意义以及战略价值。为此,本文在充分调研国内X舵水下航行器发展现状、研究进程与水下航行器运动控制技术研究成果的基础之上,以横滚约束下的X舵水下航行器跟踪控制作为本文研究目标,理论与实践相结合,基于滑模控制、有限时间控制和迭代滑模控制理论,为欠驱动X舵水下航行器的运动控制技术开展了系统性地研究与探索,并基于数值仿真与水池试验验证了运动控制算法的有效性。本文的主要研究工作如下所示:(1)基于滑模控制的X舵水下航行器横滚约束轨迹追踪控制:结合实际应用需求,本文的目光集中于水下航行器运动控制中的经典问题——轨迹追踪。针对水滴型X舵水下航行器跟踪过程中存在的横滚不稳定性问题,在运动学制导控制层面引入横滚控制律,同时采用双曲正切函数替代传统的视线角制导法以避免较大交叉跟踪误差下的激进航向和俯仰运动为横滚稳定性带来危险。之后,针对当前变结构滑模控制切换函数所存在的抖振问题,提出了一种基于新型双曲函数的滑模控制算法并设计运动控制系统。在此基础上,结合扰动观测器技术以解决外界扰动、模型不确定性等多源非线性耦合因素作用下的跟踪控制问题。然后,综合考虑执行机构机械特性、输入饱和和计算效率等问题,利用序列二次规划算法解决多输入多输出的X舵舵角规划问题。最后,通过数值仿真对所提出算法的有效性进行了验证。(2)考虑输入饱和约束的X舵水下航行器有限时间横滚约束轨迹追踪控制:针对具有广阔应用前景的有限时间轨迹追踪控制技术,面对当前较为复杂且相对缺乏的有限时间制导研究,提出了一种新型的有限时间视线角制导法,并将有限时间横滚控制率引入运动学制导控制层面。在此基础上结合全局有限时间终端滑模控制技术设计X舵水下航行器有限时间跟踪控制系统。随后,为增强系统鲁棒性,进一步构造有限时间扰动观测器以应对多源未知扰动对系统的影响。同时,设计了基于径向基函数神经网络的补偿器以解决螺旋桨输入饱和“截断”现象对跟踪控制系统的不利影响。最后,从能耗角度出发,基于自适应技术调节X舵舵角分配函数参数以提高X舵水下航行器能耗比。(3)不基于模型的迭代滑模X舵水下航行器横滚约束轨迹追踪控制:针对面向适用性的工程实际需求,在运动学制导阶段,基于模糊逻辑算法与耦合前向、垂向和横向误差的视线角制导率,设计得到期望制导角,实现对位置误差与姿态误差的状态约束。在此基础上,针对工程实践中存在水动力模型不确定性的情况,在动力学层面设计了新型的不基于模型的迭代滑模控制算法以完成X舵水下航行器动力学跟踪控制器设计。在舵角分配环节,采用非线性规划算法解决多目标优化的虚拟舵角解算。同时,从能耗与降噪角度出发,引入事件触发机制降低操舵频率,以优化X舵水下航行器的节能性。最后,通过仿真和水池试验验证了算法的有效性、节能性和降噪性。

关键词： X舵水下航行器追踪控制横滚约束滑模控制有限时间控制迭代滑模控制