高阶滑模控制理论及其在欠驱动系统中的应用研究

发布时间：2017-04-17 02:09

  本文关键词：高阶滑模控制理论及其在欠驱动系统中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在对抗系统不确定性的鲁棒控制方法中,传统滑模控制以其显著优点(如对匹配不确定性的不变性,控制器实现简单等)而得到了广泛应用,但滑模控制方法仍存在抖振问题和相对阶的限制等不足之处。高阶滑模控制方法的提出,不仅保留了传统滑模控制的优点,还可以解决其存在的问题。当系统关于滑模面相对阶为1时,采用高阶滑模中的二阶滑模控制方法,可以使控制输入连续,避免了高增益切换的发生,因而能使抖振现象得以抑制。当系统关于滑模面相对阶大于1时,高阶滑模控制方法能够打破传统滑模控制对相对阶的限制而直接应用。但高阶滑模控制方法也同样存在不足之处,如要求系统不确定性的上界事先已知、参数选择困难、收敛时间难以估计、二阶滑模控制方法对相对阶的限制等。根据以上不足之处,本文研究并解决了高阶滑模控制中二阶滑模控制方法应用中遇到的重要问题,并以存在强非线性、参数不确定性和外界干扰的欠驱动系统为研究对象,探索了高阶滑模控制方法在欠驱动系统中的应用。本文的研究工作和创新点主要包括以下几个方面:(1)针对二阶滑模控制方法对不确定性上界未知的系统不具有鲁棒性的问题,提出了基于自适应的齐次性二阶滑模控制改进方法。通过引入自适应补偿控制器,具有未知上界的不确定性得以完全补偿,并给出了明确的有限时间稳定性证明。将改进后的方法应用于对球杆和TORA系统的稳定性控制中。考虑两种系统的精确模型,引入使得二阶子系统稳定的虚拟控制器。利用改进后的二阶滑模方法实现了实际变量对虚拟控制器的有限时间跟踪,并实现了整个系统的稳定性控制。实验和仿真结果均证明了所提出控制方法的有效性。(2)针对二阶滑模控制方法应用中因系统不确定性的上界未知而导致的控制器参数难以选择的问题,提出了基于参数自适应的二阶滑模螺旋改进算法。通过对螺旋算法的参数设计自适应参数控制器,不仅实现了参数根据系统状态的自动调节,而且同时实现了对具有未知上界不确定性的完全补偿。给出了明确的有限时间稳定性证明。将改进后的方法应用于欠驱动轮式移动机器人系统中,实现了在具有未知上界多种不确定性存在的情况下,轮式移动机器人系统的有限时间轨迹跟踪控制。(3)针对二阶滑模控制方法应用中不确定性的界难以获得、控制器参数难以选择和收敛时间难以估计的问题,提出了新的超螺旋算法。通过对原有算法引入补偿控制器,使得系统不确定性的上界无需提前预知;设计了自适应参数控制器实现了控制器参数的自我调整;利用类二次型Lyapunov函数证明了系统是有限时间稳定的,并给出了收敛时间的表达式,根据此式,调节相关参数便可调整收敛时间。通过与同类超螺旋算法的仿真对比,验证了新算法的优越性。(4)针对二阶滑模控制方法中的超螺旋算法要求系统对滑模面相对阶必须为1的问题,对超螺旋算法进行了扩展。提出了两种可应用于相对阶为2的系统的超螺旋算法:一种是基于类二次型Lyapunov函数的,可以估计收敛时间;一种是基于齐次性理论的。进一步,对第一种方法进行改进,使其完全补偿系统具有未知上界的不确定性和实现参数的自我调整;将第二种方法扩展至任意相对阶系统中,同时提出高阶滑模鲁棒自适应算法,可以对抗具有未知上界的系统不确定性并实现系统有限时间稳定。最后以水面船舶路径跟踪控制为例验证了所提出扩展和改进算法的有效性。
【关键词】：高阶滑模 二阶滑模 螺旋算法 超螺旋算法 自适应 欠驱动系统
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O231
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-33
• 1.1 论文研究的背景和意义13-14
• 1.2 传统及高阶滑模控制定义14-17
• 1.2.1 滑模变结构控制定义14-16
• 1.2.2 高阶滑模控制定义16-17
• 1.3 传统及高阶滑模控制发展概述17-24
• 1.3.1 传统滑模控制发展历程17-18
• 1.3.2 传统滑模控制存在的问题18-19
• 1.3.3 高阶滑模控制发展历程19-22
• 1.3.4 高阶滑模控制存在的问题22-23
• 1.3.5 自适应滑模/高阶滑模控制研究现状23-24
• 1.4 欠驱动系统研究概述24-29
• 1.4.1 欠驱动系统的定义与研究对象24-25
• 1.4.2 欠驱动系统的控制方法25-27
• 1.4.3 高阶滑模控制方法在欠驱动系统中的应用现状27-29
• 1.5 本文的主要工作和内容安排29-33
• 第二章 滑模控制理论基础知识和欠驱动系统的建模33-49
• 2.1 高阶滑模控制理论33-40
• 2.1.1 相关稳定性定义和定理33-34
• 2.1.2 几种高阶滑模控制方法34-40
• 2.2 典型欠驱动系统模型40-46
• 2.2.1 球杆系统建模41-42
• 2.2.2 TORA系统建模42-44
• 2.2.3 轮式移动机器人系统模型44-45
• 2.2.4 欠驱动水面船舶系统模型45-46
• 2.3 其它相关概念46-48
• 2.3.1 终端滑模46-47
• 2.3.2 自适应方法47-48
• 2.3.3 级联规范型48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 基于自适应的二阶滑模齐次性改进算法及其在球杆和TORA系统中的应用49-65
• 3.1 引言49-50
• 3.2 齐次性二阶滑模的改进及稳定性分析50-54
• 3.2.1 控制器设计50-51
• 3.2.2 稳定性证明51-52
• 3.2.3 仿真分析52-54
• 3.3 球杆系统中的应用与验证54-59
• 3.3.1 球杆系统模型转换54-55
• 3.3.2 子系统控制器设计55
• 3.3.3 二阶滑模控制器设计55-56
• 3.3.4 实物实验和仿真分析56-59
• 3.4 TORA系统中的应用与验证59-64
• 3.4.1 TORA系统模型转换59-60
• 3.4.2 子系统控制器设计60-61
• 3.4.3 二阶滑模控制器设计61
• 3.4.4 仿真分析61-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第四章 基于参数自适应的二阶滑模螺旋改进算法及其在轮式移动机器人中的应用65-77
• 4.1 引言65-66
• 4.2 补偿控制器设计与分析66-70
• 4.2.1 控制器设计66-67
• 4.2.2 稳定性证明67-68
• 4.2.3 仿真分析68-70
• 4.3 自适应参数控制器设计与分析70-72
• 4.3.1 控制器设计70
• 4.3.2 稳定性证明70-72
• 4.4 轮式移动机器人中的应用72-76
• 4.4.1 轮式移动机器人模型分析与控制器设计72-74
• 4.4.2 仿真分析74-76
• 4.5 本章小结76-77
• 第五章 改进的超螺旋算法与基于类二次型Lyapunov函数的收敛时间估计77-89
• 5.1 引言77-78
• 5.2 基于类二次型Lyapunov函数的稳定性证明及收敛时间估计78-80
• 5.3 改进的自适应STA与稳定性证明80-84
• 5.4 仿真分析84-86
• 5.5 观测器应用和对比分析86-88
• 5.6 本章小结88-89
• 第六章 扩展的超螺旋算法及其在水面船舶中的应用89-123
• 6.1 引言89-90
• 6.2 两种扩展的二阶STA90-99
• 6.2.1 二阶STA（基于类二次型Lyapunov函数）90-95
• 6.2.2 二阶STA（基于齐次性理论）95-99
• 6.3 自适应二阶STA（基于类二次型Lyapunov函数）99-105
• 6.3.1 控制器设计与稳定性证明99-103
• 6.3.2 仿真分析103-105
• 6.4 基于齐次性理论的高阶STA105-113
• 6.4.1 控制器设计与稳定性证明105-106
• 6.4.2 仿真分析106-109
• 6.4.3 鲁棒有限时间高阶滑模控制器设计109-113
• 6.5 欠驱动水面船舶中的应用与验证113-121
• 6.5.1 水面船舶模型分析113-116
• 6.5.2 控制器设计（基于类二次型Lyapunov函数）116
• 6.5.3 仿真分析（基于类二次型Lyapunov函数）116-118
• 6.5.4 控制器设计（基于齐次性理论）118
• 6.5.5 仿真分析（基于齐次性理论）118-119
• 6.5.6 控制器设计（二阶自适应STA）119-120
• 6.5.7 仿真分析（二阶自适应STA）120-121
• 6.6 本章小结121-123
• 结论123-125
• 参考文献125-138
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单138-139
• 致谢139-140
• 作者简介140

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：312170