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籽粒收获机割台液压系统鲁棒滑模控制研究与实验验证

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数字农业与智能农机 2022年第2期 112-115页

作者：王国峰公玉红韩文华盛延亮刘全法山东江华机械制造有限公司山东菏泽274300 天津大学机械工程学院天津300350

为进一步提高玉米收获机自动控制性能及作业效率,针对割台高度调节准确度较差的问题,提出一种基于状态估计的改进趋近律优化滑模控制方法。与PID控制方法、传统滑模控制方法进行实验对比,验证了该鲁棒滑模优化控制方法有效提高了液压系... 详细信息

为进一步提高玉米收获机自动控制性能及作业效率,针对割台高度调节准确度较差的问题,提出一种基于状态估计的改进趋近律优化滑模控制方法。与PID控制方法、传统滑模控制方法进行实验对比,验证了该鲁棒滑模优化控制方法有效提高了液压系统的控制精度,增强了控制系统的鲁棒性,为玉米收获机自动调高装置控制策略研究提供参考。

关键词：玉米收获机状态观测器鲁棒滑模控制

不对称电液促动器系统的建模与鲁棒滑模位置控制

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不对称电液促动器系统的建模与鲁棒滑模位置控制

作者：刘秦毓天津大学

学位级别：硕士

现代工业的迅猛发展促使液压传动技术在全球各个行业得到极大的应用,液压缸作为实现直线往复运动的执行器被广泛运用于需要高精度位置控制的场合。传统的液压传动往往采用响应速度快、控制精度高的阀控液压缸系统实现位置控制。然而,此... 详细信息

现代工业的迅猛发展促使液压传动技术在全球各个行业得到极大的应用,液压缸作为实现直线往复运动的执行器被广泛运用于需要高精度位置控制的场合。传统的液压传动往往采用响应速度快、控制精度高的阀控液压缸系统实现位置控制。然而,此类节流式控制系统价格昂贵、抗污染能力差、节流损失大、系统效率低。因此,本文提出了一种新型的泵控不对称液压缸形式的容积式控制系统,后文将其简称为电液促动器。针对此系统,本文研究了基于准滑动模态的鲁棒滑模位置控制策略,旨在实现电液促动器系统的更快响应、更高精度的轨迹跟踪。在电液促动器系统中,液压缸的位置由双向泵直接控制,不仅价格低廉、节能高效,而且操作简单、工作可靠性高,非常适合工程实际的应用。首先,根据电液促动器系统的系统结构与工作原理,建立其状态空间模型。建模时,将静摩擦力、库伦摩擦力,以及粘性摩擦力的波动与其他扰动合成为一项——不确定项来考虑,并引入模型切换系数,以准确表示泵控不对称液压缸的外伸与内缩的数学模型。其次,改进指数趋近律,将理想滑动模态修改为准滑动模态。在指数趋近律中,将等速趋近项的符号函数修改为饱和函数,从根本上削弱了抖振现象;将指数趋近项的系数模糊化,提高了响应速度。在此基础上,采用极点配置的方法设计状态观测器,有效估计速度、加速度以及两腔压力信号。进一步地,通过李雅普诺夫稳定性分析,提出了实现准滑动模态的充分条件。最后,仿真和实验研究证实了本文提出的建模方法的准确性以及控制策略的高效性和工程应用性。

关键词：不对称电液促动器轨迹跟踪鲁棒滑模控制指数趋近律状态观测器李雅普诺夫稳定性

基于Sigmoid函数的机器人鲁棒滑模跟踪控制系统设计

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计算机测量与控制 2023年第4期31卷 136-142页

作者：李妮西安明德理工学院通识教育学院西安710124

为了保证机器人能够在保持稳定的情况下,按照规划轨迹执行工作任务,从硬件和软件两个方面,设计了基于Sigmoid函数的机器人鲁棒滑模跟踪控制系统。装设机器人传感器与状态观测器,改装机器人鲁棒滑模跟踪控制器,完成系统硬件设计;综合机... 详细信息

为了保证机器人能够在保持稳定的情况下,按照规划轨迹执行工作任务,从硬件和软件两个方面,设计了基于Sigmoid函数的机器人鲁棒滑模跟踪控制系统。装设机器人传感器与状态观测器,改装机器人鲁棒滑模跟踪控制器,完成系统硬件设计;综合机器人结构、运动机理和动力机制3个方面,构建机器人数学模型;根据状态数据采集结果与规划轨迹之间的偏差,计算机器人跟踪控制量;依据滑模运动与切换方程,利用Sigmoid函数生成机器人鲁棒滑模控制律,将生成控制指令作用在机器人执行元件上,实现系统的鲁棒滑模跟踪控制功能;在系统测试与分析中,所设计控制系统的平均位置跟踪控制误差为0.93 mm,与设定轨迹目标基本重合,机器人姿态角跟踪控制误差为0.06 mm,具有较好的鲁棒滑模跟踪控制效果,能够有效提高机器人鲁棒滑模跟踪控制精度。

关键词： Sigmoid函数机器人控制鲁棒滑模控制跟踪控制系统

大椭圆轨道卫星交会高轨目标的高精度视线跟踪控制

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空间控制技术与应用 2015年第2期41卷 6-11页

作者：徐帷武海雷卢山刘付成上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对大椭圆轨道卫星交会高轨卫星期间的相对姿态指向控制需求,提出了一种采用混合执行机构的快速、高精度视线跟踪姿态控制的方法.首先根据相对姿态控制流程设计了执行机构的配置,结合采用喷气推力器和角动量交换装置卫星的姿态动力学模... 详细信息

针对大椭圆轨道卫星交会高轨卫星期间的相对姿态指向控制需求,提出了一种采用混合执行机构的快速、高精度视线跟踪姿态控制的方法.首先根据相对姿态控制流程设计了执行机构的配置,结合采用喷气推力器和角动量交换装置卫星的姿态动力学模型,推导了用相对四元数描述的视线运动学方程.其次,针对交会快速接近段的姿态快速机动要求设计了一种喷气相平面控制律,针对最近交会段的高精度高稳定度视线跟踪要求设计了一种鲁棒滑模控制律.最后设置了一个算例,仿真结果表明:相对距离100 km以内快速交会阶段的视线跟踪控制精度达0.005 3°,从而验证了整套控制算法的有效性.

关键词：大椭圆轨道视线跟踪鲁棒滑模控制

基于外力观测器的MIS机器人双边力反馈控制

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控制工程 2018年第12期25卷 2184-2190页

作者：桑宏强陈发刘芬贠今天杨铖浩天津工业大学机械工程学院天津300387 天津工业大学工程实训中心天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

针对现有微创外科手术机器人缺乏力感知和力反馈问题,提出了基于外力观测器的微创机器人鲁棒滑模双边力反馈控制结构。设计了非线性外力观测器,用于实现主从机器人的外力观测。为获得准确的外力观测,需要对摩擦和扰动进行补偿,确定关节... 详细信息

针对现有微创外科手术机器人缺乏力感知和力反馈问题,提出了基于外力观测器的微创机器人鲁棒滑模双边力反馈控制结构。设计了非线性外力观测器,用于实现主从机器人的外力观测。为获得准确的外力观测,需要对摩擦和扰动进行补偿,确定关节摩擦为Stribeck模型,采用遗传算法对模型中参数予以辨识,采用等效法对扰动进行补偿。为实现准确的轨迹跟踪和保证系统的稳定性,设计了鲁棒滑模控制器。通过仿真和实验对所提出的控制结构进行了验证,结果表明所提出的双边力反馈控制结构,能够实现无力传感器下外力的准确观测,同时具有仅通过位置.位置的硬件结构获得位置.力硬件结构的优点,为无力传感器下的主从运动控制奠定了研究基础。

关键词：微创外科机器人外力观测器鲁棒滑模控制双边力反馈摩擦和扰动补偿

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基于滑模控制方法的信息物理系统的安全控制

计算机仿真 2022年第5期39卷 249-254页

作者：薛艳梅任雯郑柏超南京信息工程大学数学与统计学院江苏南京210044 南京信息工程大学自动化学院江苏南京210044

针对虚假数据注入攻击下信息物理系统的安全控制问题,提出两种滑模控制设计方法。利用异常检测机制的阈值信息获取虚假数据注入攻击的上界信息,并应用获得的攻击上界信息构造鲁棒滑模控制方法。采用自适应技术估计攻击模式的上界信息,... 详细信息

针对虚假数据注入攻击下信息物理系统的安全控制问题,提出两种滑模控制设计方法。利用异常检测机制的阈值信息获取虚假数据注入攻击的上界信息,并应用获得的攻击上界信息构造鲁棒滑模控制方法。采用自适应技术估计攻击模式的上界信息,进而结合攻击模式的估计上界信息设计自适应滑模控制方法。然后,稳定性理论分别证明了两种控制方法下动态系统的安全稳定性。最后,仿真结果表明,在虚假数据注入攻击的情况下,所设计的鲁棒及自适应滑模控制方法能确保信息物理系统稳定并具有较好的鲁棒性能。

关键词：虚假数据注入攻击信息物理系统鲁棒滑模控制自适应滑模控制

面向纤维铺放过程的机器人柔顺控制及碰撞检测技术

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面向纤维铺放过程的机器人柔顺控制及碰撞检测技术

作者：郭世超西安电子科技大学

学位级别：硕士

纤维自动铺放技术作为碳纤维复合材料构件的先进制造方法,广泛应用于航空航天制造领域。随着纤维铺放构件形状的复杂化,以工业机器人为主体的自动铺放设备表现出更高的灵活性、高效性等优点被广泛开发应用,因此,建立纤维铺放过程中机器... 详细信息

纤维自动铺放技术作为碳纤维复合材料构件的先进制造方法,广泛应用于航空航天制造领域。随着纤维铺放构件形状的复杂化,以工业机器人为主体的自动铺放设备表现出更高的灵活性、高效性等优点被广泛开发应用,因此,建立纤维铺放过程中机器人安全稳定的柔顺控制策略至关重要。纤维铺放过程中既要保证纤维束能够准确地跟踪铺放轨迹,又要保证铺丝头对纤维层施加恒定的铺放压力。当前纤维铺放机器人控制方法主要采用单纯的位置控制,对铺放压力的恒定控制主要通过末端施压气缸对纤维束施加一定的压紧力。但是随着铺放工件的复杂化,尤其当曲面曲率变化较快时,机器人对纤维束铺放压力的恒定控制和铺放轨迹的精确跟踪效果较差,因此建立系统的主动柔顺控制策略对纤维铺放过程具有重要意义。目前,面向工业机器人的主动柔顺控制方法对各种外部干扰、参数不确定性等因素考虑较少,导致作业过程中稳定性和精度不足。其次,针对复杂环境下的纤维铺放过程,机器人与外界环境可能发生碰撞而且铺丝头可能与芯模之间发生干涉碰撞,这对纤维铺放过程危害性较大。针对以上问题,本文旨在研究面向纤维铺放作业过程中机器人的主动柔顺控制及碰撞检测方法,主要研究内容如下:（1）基于模块化关节搭建纤维铺放机器人的研究模型,并利用D-H参数法建立了机器人的运动学模型,建立机器人在关节空间和末端操作空间的映射关系;利用拉格朗日法建立了纤维铺放机器人在关节空间的动力学模型,建立纤维铺放机器人在关节空间的驱动力与各关节运动之间的动态响应关系。（2）基于纤维铺放过程提出了一种动态柔顺控制策略,不同于单纯的位置控制策略,该控制策略采用鲁棒滑模控制方法实现机器人对铺放轨迹的精确跟踪,采用自适应阻抗控制方法保证纤维层之间的铺放压力作用。实验结果表明建立的动态柔顺控制策略不仅能够保证纤维铺放机器人的稳定工作过程,而且系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,能够很好地满足纤维铺放过程。（3）考虑到纤维铺放机器人在工作过程中可能面临的环境碰撞力与干涉碰撞力等危险情况,本文基于协作机器人建立了一种无附加传感器的机器人碰撞检测方法,保证了机器人在面对外部碰撞力作用时能够安全停机;考虑到机器人在纤维铺放过程中铺放压力对碰撞观测器的干扰,本文提出了一种铺放压力负载实时补偿策略,实时补偿末端负载对碰撞观测器的影响,保证纤维铺放机器人在工作过程中的安全性;利用Simscape物理模型仿真验证了所提出的碰撞检测方法能够很好地保证纤维铺放过程的安全性和稳定性。

关键词：纤维铺放作业动态柔顺控制鲁棒滑模控制自适应阻抗控制碰撞检测

考虑非线性与不确定性的自主无人车辆视觉系统与横向控制系统研究

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考虑非线性与不确定性的自主无人车辆视觉系统与横向控制系统研究

作者：汪瑞杰东南大学

学位级别：硕士

交通拥挤与环境污染问题正推动智能交通系统发展。自主无人车辆(AVs)以其高度智能化和充分道路利用率,逐渐成为业界关注焦点。自主无人车辆控制分为横向控制与纵向控制。其中,横向控制目标为零化横向偏差与航向角偏差,即路径跟踪。值得... 详细信息

交通拥挤与环境污染问题正推动智能交通系统发展。自主无人车辆(AVs)以其高度智能化和充分道路利用率,逐渐成为业界关注焦点。自主无人车辆控制分为横向控制与纵向控制。其中,横向控制目标为零化横向偏差与航向角偏差,即路径跟踪。值得关注的是,现今AVs研究往往基于传统前轮转向车辆,以线性系统为主,且所考虑环境基本为低速、小曲率等缓和情况。但实际上,在高速、大曲率情况下,车辆侧向加速度与质心侧偏角增大,车辆轮胎侧向力饱和,不再线性相关轮胎侧偏角。因此,AVs需要考虑极端情况下轮胎的非线性;同时,质心侧偏角的增大将会影响自主车辆跟踪效果;且当前方车辆遮挡车道线时,需要道路线检测算法具有精准性与鲁棒性。本文以东南大学机械工程学院车辆工程实验室自主研发的SEUAV-1无人驾驶汽车系统平台为研究对象,进行了包括视觉系统与控制系统在内的横向运动控制整体解决方案的研究,主要的研究内容包括以下几个方面:(1)搭建了 SEUAV-1无人驾驶车辆系统平台,探讨了该实验平台的系统组成以及环境感知系统、信息融合系统、决策规划系统以及控制系统的硬件与功能。根据横向控制的特点,提出了无人驾驶车辆横向控制的设计指标。(2)确定SEUAV-1的摄像头标定方法,运用图像灰度化、图像滤波、图像边缘增强、图像二值化、Canny算子、Hough变换以及卡尔曼滤波等方法,考虑检测的精准性与鲁棒性,设计了单车道线与多车道线检测与跟踪算法,为后续控制系统设计奠定基础。(3)建立传统整车运动学模型、传统三自由度整车动力学模型、轮胎模型以及无人车横向动力学二自由度模型、路径跟踪控制系统模型;搭建Simulink模型并与CarSim模型进行联合仿真,仿真结果表明Simulink数学模型和CarSim模型具有相近的动力学特性。(4)分析系统闭环稳态误差,得出了传统研究中控制系统在转向时存在稳态误差这一事实,其原因是因为车辆在高速大曲率等极端情况下,车辆不可避免存在大的质心侧偏角,而质心侧偏角的增大会影响稳态误差。引入4WS系统来降低质心侧偏角的影响,并根据反馈与前馈思想,设计了滑模控制器,实现了对车辆的精准、稳定控制。(5)考虑极端情况下系统控制输入不确定性与轮胎非线性,建立系统T-S模糊型。将控制问题转化为凸优化问题,设计鲁棒自适应滑模控制器解决其跟踪以及横向稳定性问题。实验结果表明,4WS系统有助于提升极端情况下AVs的跟踪性能与横向稳定性,且控制器对非线性系统具有良好的鲁棒性与跟踪性能。

关键词：自主无人车辆横向控制视觉系统鲁棒滑模控制稳定性

基于力观测器的微创机器人力检测与力反馈控制研究

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基于力观测器的微创机器人力检测与力反馈控制研究

作者：陈发天津工业大学

学位级别：硕士

微创外科机器人具有灵活性高、定位准确、运动平稳和手眼协调等诸多优点,然而,由于微创手术的特殊性,使得现有微创机器人系统缺乏力检测和力反馈。针对上述问题,在分析现有力检测技术的基础上,构建了外力观测器对从机器人与环境间的作... 详细信息

微创外科机器人具有灵活性高、定位准确、运动平稳和手眼协调等诸多优点,然而,由于微创手术的特殊性,使得现有微创机器人系统缺乏力检测和力反馈。针对上述问题,在分析现有力检测技术的基础上,构建了外力观测器对从机器人与环境间的作用力进行观测,设计了主从鲁棒滑模控制器和主从力反馈结构,实现了无力/力矩传感器力检测与力反馈控制,为无力/力矩传感器下的主从运动和力反馈控制奠定了研究基础。本论文的主要研究内容如下:首先,基于旋量理论分析了主从微创机器人的运动学,并结合拉格朗日动力学建模方法建立了主从机器人动力学模型。通过ADAMS和MATLAB联合仿真验证了从机器人动力学模型的正确性,并分析了主从机器人动力学方程中各项对总力矩的贡献,为主从微创机器人动力学模型的简化奠定基础。其次,在分析非线性干扰观测器的基础上,提出了从机器人非线性外力观测器,用于实现从机器人与环境间相互作用力的观测,同时证明了外力观测器的稳定性。鉴于关节摩擦对观测精度的影响,确定了 Stribeck模型为关节摩擦模型,采用遗传算法对摩擦参数进行了辨识,在从机器人外力观测器中进行了摩擦补偿,实现精准的外力观测。再次,设计了微创机器人主从鲁棒滑模控制器,构建了主从力反馈系统,实现了对主从机器人的精准的位置控制和力反馈控制。通过Simulink仿真验证了在有/无摩擦补偿的情况下力反馈控制系统的有效性和准确性,且具有良好的主从位置跟踪能力。最后,构建了主从微创机器人实验平台,对外力观测器和主从运动和力反馈控制进行实验研究,结果表明该控制系统具有较好的力反馈性能,实现了无力/力矩传感器下的外力观测和力反馈控制。

关键词：微创外科机器人动力学建模外力观测器鲁棒滑模控制力反馈摩擦补偿