全局终端滑模控制
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一种基于粒子群优化(PSO)算法的全局快速终端滑模控制方法郝春玲【摘要】为了减小六轴机械臂运行时的震动,提高控制系统的响应时间,基于PSO 智能算法对其进行全局优化控制,将机械臂系统离散成6个子系统,分别设计各个子系统,并且基于Lyapunov理论验证控制系统的稳定性.仿真结果表明,采用PSO算法对六轴机械臂进行运行轨迹控制时具有精度高、运行误差小及收敛周期短的优点,切实提高了控制系统的响应速度及控制精度.%In order to eliminate the chattering and improve the response speed of the system. This paper deals with a fast terminal sliding mode control method based on PSO( particle swarm optimization) for the six manipulator control system. Then stability of the system is demonstrated by Lyapunov theory and the optimization control parameters are achieved based on PSO algorithm. The simulation results show that the PSO algorithm has the advantages of high precision,low running error and short convergence period when the trajectory control of the six-axis manipulator is carried out,thus the response speed and control precision of the control system are all improved.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2017(040)005【总页数】5页(P1304-1308)【关键词】智能机器人;PSO算法;六轴机械臂;终端滑模控制【作者】郝春玲【作者单位】渤海船舶职业学院机电工程系,辽宁葫芦岛125100【正文语种】中文【中图分类】TP24随着科技的不断进步,以及时下较为流行的工业4.0,机器人逐渐体现了其特有的优势,对其进行智能控制成为了国内外学者的研究热点,文献[1-3]阐述了基于模糊控制策略调整PID值,表现出了较好的鲁棒性。
终端滑模控制方法1.1终端滑模控制1.1.1基于终端滑模的非线性系统控制[1]控制系统设计的主要需求包括两个主要方面:控制(收敛)性能和控制鲁棒性,前者需要实现有限时间收敛控制,后者需要在不适用高增益开关的条件下实现鲁棒控制。
为提高动态系统的收敛性能,Zak提出了终端吸引子(terminal attractor)[2]的概念,并在神经网络学习中表现出较好的性能,其具有如下三次抛物线型式:(0-1)且平衡点位于原点,对其在初始时刻和平衡时刻间进行积分得到:(0-2) 由此可知,系统(0-1)将在有限时间内收敛到平衡点,收敛时间只取决于系统初始状态。
考虑如下二阶系统(0-3)其中为系统状态,为系统输入,跟踪误差,其中为期望轨迹。
设计如下控制律(0-4)其中,均为正奇数且。
将上式代入式(0-3)得到如下闭环系统:(0-5)并设计滑模面如下(0-6)其中表示初始条件。
那么式(0-5)和(0-6)确保了系统(0-3)在控制律(0-4)下的终端稳定性,定义滑模面为终端滑模子(terminal slider),并定义形如式(0-4)的控制律为终端滑模控制(terminal slider control)。
显然,式(0-4)所示的控制比全状态反馈线性化控制性能优越。
结合式(0-6)(0-4)得到如下控制律(0-7)那么考虑到控制量有界且误差有界,误差的指数必须为正,即(0-8)该条件进一步缩小了参数的设计范围。
但是以上分析设计基础是滑模面初始条件,那么对于不同的期望轨迹其初始值不同(也就是说式(0-6)不一定对仍以期望轨迹均能满足),因此需要对滑模控制器的参数进行重新设计。
传统滑模利用高增益开关切换来迫使系统从任意初始条件均可收敛到滑模面,文献[]提出建立初始条件和滑模面之间的动态系统来解决传统滑模的缺陷。
设计如下滑模控制律(0-9)并将其代入系统(0-3)中得到(0-10)上式表明对于任意初始条件,滑模变量均将在有限时间收敛到稳态值,之后系统跟踪误差将在滑模面(0-6)上有限时间内到达平衡点。
快速Terminal 滑模控制1 快速Terminal 滑模控制的简要介绍快速Terminal 滑模控制可使系统状态在有限时间内收敛为零,突破了普通滑模控制在线性滑模面条件下状态渐近收敛的特点,系统的动态性能优于普通滑模控制。
并且相对于线性滑模控制,快速Terminal 滑模控制无切换项,可有效地消除抖振。
快速Terminal 滑模控制不仅能够使系统在有限时间内收敛,还能保持线性滑动模态到达平衡态的快速性。
全局快速Terminal 滑模控制结合了传统滑模控制和Terminal 滑模控制的优点:(1) 全局快速滑模控制保证了系统在有限时间内到达滑模面,使系统状态在有限时间内迅速收敛到平衡状态。
系统状态收敛到平衡状态的时间可以通过选取参数进行调整。
(2) 全局快速滑模控制的控制律是连续的,不含切换项,从而能消除抖振现象。
(3) 全局快速滑模控制对系统不确定性和干扰具有很好的鲁棒性,通过选取足够小的q /p ,可使系统状态到达滑模面足够小的邻域内,沿滑模面收敛到平衡状态。
2 快速Terminal 滑模控制器的设计2.1 传统快速Terminal 滑动模态传统的快速Terminal 滑动模态的形式为:0q p s x x β=+=(1)式中x 为状态变量,β>0,p,q 为正奇数且p >q 。
由式(1)可以得出: /d d q p tβ=-xx (2)变换为:1d d q p t β-=-x x(3)将式(3)两边同时对时间t 积分可以得到:001tq p x dt x dx β-=-⎰⎰(4)由式(4)可以看出状态变量x 可以从任何初始状态x 0沿着滑动模态(1)逐渐收敛到x =0,且收敛时间为:()/s |(0)|()p q p pt p q β-=-x(5)综上,可以根据滑动模态式(1)知道,状态变量x 在远离平衡点时,收敛很快,但随着距离平衡点越近收敛速度逐渐降低,但是根据式(5)的收敛时间可以通过调节参数或者进行参数优化来加快收敛速度。
基于新型趋近律的全局快速Terminal滑模PMLSM控制索宇超;张博;杨永宝;艾雄雄;邓斌;王杰
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2022(49)11
【摘要】针对滑模控制(SMC)的永磁直线同步电机(PMLSM)位置跟踪中存在收敛速度慢和系统抖振严重两个方面的问题,进一步提高PMLSM控制的跟踪精度,改善系统的动态品质,在传统的幂次趋近律基础上,引入了Fal函数,并结合新型全局快速终端滑动模态,提升系统的趋近速度并对系统抖振进行有效的控制;在SMC系统外可采用干扰观测器来对系统的扰动信号等进行前馈补偿,提高系统的抗干扰处理能力。
利用MATLAB/Simulink软件进行计算机仿真,并与传统幂次趋近律SMC进行对比。
仿真分析表明,该跟踪控制算法能够提高系统的跟踪与控制精度,并且增强了系统的抗扰动性能。
【总页数】7页(P16-21)
【作者】索宇超;张博;杨永宝;艾雄雄;邓斌;王杰
【作者单位】西安工程大学电子信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM359.4;TP273
【相关文献】
1.基于全局趋近律滑模的感应电机控制方法
2.基于双幂次滑模趋近律方法的PMLSM精密位置控制
3.基于快速双幂次趋近律的新型滑模控制
4.鲁棒全局快速
Terminal滑模末制导律研究5.基于新型趋近律的永磁直线同步电动机全局滑模控制
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收稿日期:2022-10-31基金项目:中国科学院空间科学战略性先导科技专项(XDA1502030505);机器人学国家重点实验室自主课题(2019-Z06);辽宁省“兴辽英才计划”资助项目(XLYC1807167)引用格式:李俊麟,王宏博,张伟,等.机械臂自适应反演超螺旋全局终端滑模控制[J].测控技术,2023,42(10):74-81.LIJL,WANGHB,ZHANGW,etal.AdaptiveBacksteppingSuper TwistingGlobalTerminalSlidingModeControlforManipula tors[J].Measurement&ControlTechnology,2023,42(10):74-81.机械臂自适应反演超螺旋全局终端滑模控制李俊麟1,2,王宏博1,2,3,张 伟1,2,高 升1,2(1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,辽宁沈阳 110016;2.中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁沈阳 110169;3.沈阳化工大学信息工程学院,辽宁沈阳 110142)摘要:针对机械臂系统存在的系统参数摄动、非线性摩擦及外部干扰等不确定问题,提出一种自适应反演超螺旋全局终端滑模轨迹跟踪控制方法。
该方法基于反演法、Lyapunov理论和全局快速终端滑模理论设计控制器,保证系统稳定性及全局收敛性,增强系统的鲁棒性。
为解决系统集总扰动上界未知的问题,采用自适应技术设计切换控制律,抵消不确定性的影响,同时引入超螺旋算法抑制滑模控制固有的抖振现象。
最后,通过理论分析和仿真算例验证了该控制器的有效性与可行性。
关键词:机械臂系统;轨迹跟踪;反演全局终端滑模控制;自适应技术;超螺旋算法中图分类号:TP24 文献标志码:A 文章编号:1000-8829(2023)10-0074-08doi:10.19708/j.ckjs.2023.01.209AdaptiveBacksteppingSuper TwistingGlobalTerminalSlidingModeControlforManipulatorsLIJunlin1牞2牞WANGHongbo1牞2牞3牞ZHANGWei1牞2 牞GAOSheng1牞2牗1.StateKeyLaboratoryofRobotics牞ShenyangInstituteofAutomation牞ChineseAcademyofSciences牞Shenyang110016牞China牷2.InstitutesforRoboticsandIntelligentManufacturing牞ChineseAcademyofSciences牞Shenyang110169牞China牷3.CollegeofInformationEngineering牞ShenyangUniversityofChemicalTechnology牞Shenyang110142牞China牘Abstract牶Aimingattheuncertainproblemsofsystemparameterperturbation牞nonlinearfrictionandexternalinterferenceinthemanipulatorsystem牞anadaptiveinversionsuper twistingglobalterminalslidingmodetrajec torytrackingcontrolmethodisproposed.Thismethodisbasedontheinversionmethod牞Lyapunovtheoryandglobalfastterminalslidingmodetheorytodesignthecontrollertoensurethesystemstabilityandglobalconver gence牞andenhancetherobustnessofthesystem.Inordertosolvetheproblemthattheupperboundofthelumpeddisturbanceofthesystemisunknown牞theadaptivetechnologyisdesignedtoswitchthecontrollawtooffsettheinfluenceofuncertainty牞andatthesametime牞thesuper twistingalgorithmisintroducedtosuppresstheinherentchatteringphenomenonofslidingmodecontrol.Finally牞theeffectivenessandfeasibilityofthecon trollerareverifiedbytheoreticalanalysisandsimulationexamples.Keywords牶manipulatorsystem牷tracktracking牷backsteppingglobalterminalslidingmodecontrol牷adaptivetechnology牷super twistingalgorithm 工业自动化技术的提高及现代科技的发展,使机器人技术得到了广泛应用。
PSO优化的六自由度机械臂全局快速终端滑模控制王琥;胡立坤;谭颖【期刊名称】《智能系统学报》【年(卷),期】2017(012)002【摘要】针对六自由度机械臂控制系统,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的全局快速终端滑模控制方法,以更大程度地减小系统的抖振,提高系统的响应速度.对于机械臂多输入多输出的特点,为了方便设计,将系统划分为6个二阶子系统,对各个关节进行设计,分析克服控制律的奇异性,同时运用Lyapunov理论证明系统的稳定性,并基于PSO算法完成控制参数的优化.实验结果表明:优化后的控制方法不仅可以提高系统的快速性,还可以明显减小系统的抖振,使系统具有良好的动静态性能.%In this paper, we propose a global fast terminal sliding mode (GFTSM) control method based on particle swarm optimization (PSO) for the 6-DOF (degrees of freedom) manipulator control system to reduce chattering and improve response times of the system.We divided the multi-input multi-output (MIMO) 6-DOF system into six second-order subsystems, each joint designed and analyzed to overcome the singularity of control law.Further, we demonstrated the stability of our system using Lyapunov theory and optimized the control parameters based on the PSO algorithm.Our simulation results show that the optimized control method not only improves the speed and response times of the system, but also reduces the chattering, thus producing a system with good dynamics and static performance.【总页数】6页(P266-271)【作者】王琥;胡立坤;谭颖【作者单位】广西大学电气工程学院,广西南宁 530004;广西大学电气工程学院,广西南宁 530004;广西大学电气工程学院,广西南宁 530004【正文语种】中文【中图分类】TP24【相关文献】1.一种基于粒子群优化(PSO)算法的全局快速终端滑模控制方法 [J], 郝春玲2.速度约束下PSO的六自由度机械臂时间最优轨迹规划 [J], 李小为;胡立坤;王琥3.机械臂神经网络非奇异快速终端滑模控制 [J], 吴爱国;刘海亭;董娜4.机械臂自适应非奇异快速终端滑模控制 [J], 徐宝珍;宋公飞;王超;曹广旭5.多关节移动机械臂系统的快速终端滑模控制 [J], 彭伟;雷辉因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
终端滑模控制器设计在永磁同步电动机中的应用引言随着工业和交通领域的快速发展,永磁同步电动机因其高效率、高动力密度和良好的控制性能逐渐成为电动机领域的主流技术。
而终端滑模控制器是一种能够有效解决非线性系统控制问题的控制策略。
本文将探讨终端滑模控制器在永磁同步电动机中的应用。
二级标题1:永磁同步电动机介绍三级标题1:永磁同步电动机的原理永磁同步电动机是一种利用永磁体产生磁场的电动机。
它的原理是靠电动机内部的磁场与通过电流产生的磁场之间的相互作用来产生转矩,实现机械能转化。
三级标题2:永磁同步电动机的性能优势永磁同步电动机具有高效率、高动力密度和良好的控制性能等优点。
相比传统的感应电动机,永磁同步电动机拥有更高的效率和更好的动态响应特性,适用于各种应用场景。
二级标题2:滑模控制理论三级标题1:滑模控制的基本概念滑模控制是一种通过引入滑模面来实现系统控制的方法。
滑模面是一种虚拟的平面,系统的状态必须落入滑模面上才能保证控制器的正常工作。
滑模控制通过在滑模面上引入滑模控制量来驱使系统状态变化,从而实现对系统的控制。
三级标题2:终端滑模控制器的设计原理终端滑模控制器是滑模控制器的一种改进方法。
它通过引入终端项来抑制系统的振荡和超调,并提高系统的收敛性能。
终端滑模控制器根据系统模型和控制要求,设计出一个终端摄动项,通过对系统的调节,将状态变量推到滑模面上并保持在滑模面上。
三级标题3:终端滑模控制器的优势终端滑模控制器相比传统滑模控制器具有更好的控制性能和鲁棒性。
它能够有效解决非线性系统的控制问题,并且能够抑制系统的振荡和超调。
二级标题3:终端滑模控制器在永磁同步电动机中的应用三级标题1:永磁同步电动机的控制问题永磁同步电动机存在非线性和动态耦合等控制问题,传统的控制方法往往难以满足其高响应速度和高精度的要求。
三级标题2:终端滑模控制器在永磁同步电动机中的设计终端滑模控制器在永磁同步电动机中的设计可以通过以下步骤实现: 1. 建立永磁同步电动机的数学模型; 2. 设计滑模面和滑模控制量; 3. 引入终端项并设计终端摄动项; 4. 通过仿真和实验验证控制性能。
基于神经网络的三相Vienna整流器全局快速终端滑模控制李颖晖;王瑶东;邱枭楠;郭旭;黄舜【期刊名称】《空军工程大学学报》【年(卷),期】2022(23)6【摘要】针对Vienna整流器采用传统PI控制输出电压超调大,功率因数低,当系统参数发生变化时难以收敛,对交流侧输入电流干扰大等问题,提出一种基于神经网络的全局快速终端滑模控制策略。
针对系统参数在实际环境中发生摄动和受到外界扰动,重新建立系统的不确定模型,将不确定项合并为总扰动并利用所建立自适应神经网络对其进行估计,并运用Lyapunov定理证明该非线性控制系统在系统参数摄动及外界扰动中可实现有界稳定。
仿真结果表明:利用该方法提高了Vienna整流器功率因数,有效优化了输出电压超调高的问题并且有效降低了系统的谐波污染。
最后搭建了实物样机,实验结果验证了上述结论的正确性。
采用文中方法电压未出现超调,并且稳态响应时间减少了69%,切换负载电压波动减少了87%,动态响应时间减少了84%,谐波含量减少了68%。
【总页数】8页(P71-78)【作者】李颖晖;王瑶东;邱枭楠;郭旭;黄舜【作者单位】空军工程大学航空工程学院;95133部队【正文语种】中文【中图分类】TM461【相关文献】1.《航空高压直流供电系统中三相Vienna整流器的控制策略研究》之二——基于模糊幂次趋近律的双闭环滑模控制策略研究2.《航空高压直流供电系统中三相Vienna整流器\r的控制策略研究》之三\r——电网不平衡时Vienna整流器的滑模控制策略和稳定工作条件3.三相Vienna整流器的QPR滑模控制策略研究4.航空高压直流供电系统中三相Vienna整流器的控制策略研究》之四\r——连续和断续模式下Buck变换器的滞环滑模控制设计5.基于RBF神经网络的电压外环滑模控制的Vienna整流器因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
刚性机器人全局高速非奇异终端滑模控制张凤宁【摘要】针对刚性机器人有限时间鲁棒控制问题,为了提高控制性能,提出全局高速非奇异终端滑模及相应的滑模控制策略,并将新的滑模控制策略应用到刚性机器人轨迹跟踪控制中.该文所提出的全局高速非奇异终端滑模不仅具有非奇异快速终端滑模所不具备的全局高速收敛特性,而且可以提供全局非奇异性.实例仿真研究结果表明,该控制策略可以实现对期望轨迹的全局高速有限时间非奇异鲁棒跟踪,有效地提高了刚性机器人控制性能.【期刊名称】《集宁师范学院学报》【年(卷),期】2016(038)002【总页数】8页(P27-34)【关键词】全局高速非奇异终端滑模;有限时间稳定;鲁棒控制;机器人控制【作者】张凤宁【作者单位】集宁师范学院物理系,内蒙古乌兰察布012000【正文语种】中文【中图分类】TP242滑模控制具有动态特性好、鲁棒性强、易于实现等优点[1],适用于机器人控制[2–4]。
然而,传统滑模控制不具有有限时间收敛特性。
与传统滑模控制相比,终端滑模控制具有有限时间收敛、响应快、控制精度高等优点[5]。
但是终端滑模控制具有奇异性,并且当系统状态远离原点时,终端滑模控制收敛速度慢。
非奇异终端滑模控制克服了终端滑模控制存在奇异性的问题[6]。
快速终端滑模控制解决了系统状态远离原点时终端滑模控制收敛速度慢的问题[7]。
非奇异快速终端滑模控制(Nonsingular Fast TerMinal Sliding Mode Control,NFTSMC)克服了终端滑模控制存在的两个问题——非奇异快速终端滑模控制不具有奇异性;当系统状态远离原点时,非奇异快速终端滑模控制收敛速度快[8]。
本文针对刚性机器人有限时间鲁棒轨迹跟踪控制问题,设计了全局高速非奇异终端滑模控制器(GlobalHigh-speed Nonsingular TerMinal Sliding Mode Controller,GHNTSMC)。