具有非线性摄动的不确定系统的保性能控制

水下机器人基于sigmoid函数的软变结构控制刘云龙;高存臣;任启峰;郭真真【摘要】针对水下机器人滑模变结构控制系统抖振问题,利用具有光滑性和饱和性的sigmoid函数,提出一种水下机器人软变结构控制策略.利用Lyapunov稳定性理论,讨论控制受限情形的水下机器人软变结构控制系统的稳定性,构造基于sigmoid 函数的软变结构控制器,给出水下机器人软变结构控制的具体算法.将基于sigmoid 函数的软变结构控制策略用于水下机器人仿真实验研究,实验结果验证了该方法的可行性和有效性.与线性控制、饱和线性控制和基于变饱和函数的软变结构控制3种控制方法进行对比仿真分析,分析结果表明,基于sigmoid函数设计的软变结构控制系统调节精确度高、响应速度快,有效地削弱了系统抖振,具有良好的动态性能.%Aiming at the chattering problem to sliding mode variable structure control systems for autonomous underwater vehicles ( AUVs) , a control strategy named as soft variable structure control ( SVSC ) based on sigmoid functions with smoothness and saturability is presented. The stability of SVSC systems with restricted controls for AUVs was analyzed by Lyapunov stability theory. The soft variable structure controller based on sigmoid functions was designed and the concrete algorithm on the SVSC for AUVs was given. The SVSC strategy based on sigmoid functions was applied to AUV simulation experments, and the experiment results were carried out to verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy. Compared with linear control, saturated linear control and SVSC based on variable saturations, high regulation rates were achieved, and response speed is fast by SVSC based on sigmoid functions for AUVs. TheSVSC systems for AUVs can decrease system chattering and enhance the dynamic performance of the control systems.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2012(016)002【总页数】6页(P90-95)【关键词】水下机器人;滑模控制;软变结构控制;sigmoid函数;抖振【作者】刘云龙;高存臣;任启峰;郭真真【作者单位】中国海洋大学数学科学学院,山东青岛266100;中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266100;中国海洋大学数学科学学院,山东青岛266100;中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266100;中国海洋大学数学科学学院,山东青岛266100;中国海洋大学数学科学学院,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】TP242;TP2730 引言随着海洋经济的迅速发展，能够进行海洋资源开发和探测的水下机器人研究受到了国内外众多科研机构和学者的广泛关注［1-3］。

自抗扰控制技术一、本文概述自抗扰控制技术是一种先进的控制策略，其核心在于通过内部机制的设计，使系统能够自动抵御和补偿外部干扰和内部参数变化对系统性能的影响。

随着现代工业系统的日益复杂，对控制系统的鲁棒性和稳定性的要求也越来越高，自抗扰控制技术的出现为解决这些问题提供了新的思路和方法。

本文将对自抗扰控制技术进行详细的介绍和分析。

我们将阐述自抗扰控制的基本原理和核心思想，包括其与传统控制方法的主要区别和优势。

我们将介绍自抗扰控制技术的关键组成部分，如扩展状态观测器、非线性状态误差反馈控制律等，并详细解析其在控制系统中的作用和实现方式。

我们将通过实例分析和仿真实验，验证自抗扰控制技术在提高系统鲁棒性和稳定性方面的实际效果，并探讨其在实际工业应用中的潜力和前景。

本文旨在为从事控制系统设计、分析和优化的工程师和研究人员提供一种新的思路和方法，以应对日益复杂的工业控制问题。

也希望通过对自抗扰控制技术的深入研究和应用，为现代工业系统的智能化和自主化提供有力的技术支持。

二、自抗扰控制技术的基本原理自抗扰控制技术是一种先进的控制方法，其基本原理可以概括为对系统内部和外部扰动的主动抑制和补偿。

该技术的核心在于通过特定的控制策略，使系统在面对各种扰动时能够保持其稳定性和性能。

自抗扰控制技术的基本原理主要包括三个部分：扩张状态观测器（ESO）、非线性状态误差反馈（NLSEF）和跟踪微分器（TD）。

扩张状态观测器用于实时估计系统的总扰动，包括内部不确定性和外部干扰。

通过观测并提取这些扰动信息，系统能够在控制过程中主动抵消这些不利影响。

非线性状态误差反馈部分则根据观测到的扰动信息，通过非线性控制律的设计，实现对系统状态的快速调整。

这种非线性控制策略使得系统在面对扰动时能够迅速作出反应，从而保持其稳定性和性能。

跟踪微分器是自抗扰控制技术的另一个重要组成部分，它通过对期望信号的微分处理，生成一系列连续的指令信号。

这些指令信号能够引导系统以平滑、稳定的方式跟踪期望轨迹，进一步提高系统的控制精度和鲁棒性。

第21卷增刊2000年8月 兵工学报A CTA A RM AM EN TA R IIV o l121Supp l1A ug1　2000车辆主动悬架技术的现状和发展趋势王国丽　顾亮　孙逢春(北京理工大学,北京,100081)摘要　主动悬架能大幅度改善悬架的性能。

本文简要地介绍了车辆主动悬架技术的现状,阐述了最优控制、自适应控制等方法,给出了流量控制和压力控制两种控制方式,并指出了主动悬架的发展方向。

关键词　车辆;主动悬架;综述中图分类号　TJ81+0.332 车辆行驶时,由路面不平等因素引起振动,影响乘坐舒适性和操纵稳定性,甚至影响行驶速度,损坏车辆的零部件和运载的货物。

同时车辆振动也是车内噪声的主要来源。

车辆减振主要是通过使用车辆悬架系统来完成。

设计或优化设计方法选择,一经选定,在车辆行驶过程中就无法进行调节,因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂多变。

在某个特定工况下按目标优化出的悬架系统,一旦载荷、车速和路况等发生变化,悬架在新的工况下便不再是最优。

为了克服这个缺陷,国外在50年代就提出了主动悬架的概念[1]。

主动悬架采用有源或无源可控元件组成一个闭环或开环的控制系统,根据车辆系统的运动状态和外部输入的变化(路面激励或驾驶员方向盘操作)作出反应,主动地调整和产生所需的控制力,使悬架始终处于最佳减振状态。

主动悬架由控制系统和执行机构组成,执行机构为有源液压系统的主动悬架简称全主动悬架,而无源主动悬架则简称半主动悬架。

半主动悬架由可调弹簧或可调阻尼器构成,与全主动悬架相比,最大优点是工作几乎不消耗发动机的功率,结构简单,造价较低,因此受到广泛重视[2]。

1　主动悬架系统的控制理论和方法111　最优控制由于地面对车辆的激励是一个随机的过程,所以这类研究的理论基础是线性随机最优控制理论,它通过建立系统的状态方程提出控制目标和加权系数,再应用控制理论求解所设目标下的最优控制规律。

应用于悬架控制的最优控制方法主要可分为两种:传统的线性最优控制(L inear Op ti m al Con tro l)和最优预测控制(P review Con tro l)。

现代控制工程简答题1、控制系统的基本构成及特点。

2、现代控制理论的主要内容。

3、控制系统的状态空间描述及意义。

4、线性定常非齐次连续系统状态（方程解）的动态特性。

参考答案：1、控制系统主要由具有动态特性的被控对象系统、实现控制作用的控制机构、完成数据收集的检测机构，以及实现性能指标评价和信息处理的计算机构等部分构成。

控制系统的主要特点为：以动态系统为控制对象，通过施加必要的操作，实现对象系统状态按照指定的规律进行变化，达到某一特定功能；强调动态过程和动态行为的目的性、稳定性、能观测性、可控性、最优性以及时实性等；控制系统的数学模型主要用微分方程描述，设计方法为动态优化方法。

，2、主要包括五个方面：①线性系统理论（状态空间描述、能控性、能观测性和稳定性分析，状态反馈、状态观测器及补偿理论和设计方法），②建摸和系统辩识（模型结构及参数辩识方法论、参数估计理论），③最优滤波理论（卡尔曼滤波理论），④最优控制理论（经典变分法、最大值原理法、动态规划法），⑤自适应控制理论（模型参考自适应控制方法论、自校正控制方法论、鲁棒稳定自适应理论等）。

3、控制系统的状态空间描述：由状态方程和输出方程组成的状态空间表达式。

状态方程是一个一阶微分方程组，描述系统输入与系统状态的变化关系，即系统的内部描述；输出方程是一个代数方程，主要描述系统状态与系统输出的关系，即系统的外部描述。

意义：状态空间描述反映了控制系统的全部信息，是对系统特性的全部描述，是实现现代控制系统分析、设计的重要手段。

4、线性定常非齐次连续系统状态（方程解）的一般形式为：动态特性：系统状态的动态运动（随时间变化过程）受两部分作用，第一部分为系统初始状态的转移作用，即系统的自由运动项；第二部分为控制输入信号激励下的受控作用，即系统的强迫运动项。

适当选择控制输入，可使系统状态在状态空间中获得满足要求的最佳轨线。

1、控制工程理论（控制科学）的基本任务及广义定义。

滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制, 其本质上是一类特殊的非线性控制,且非线性表现为控制的不连续性. 这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动. 由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点.滑模变结构控制是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。

系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。

由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。

超平面的设计方法有极点配置，特征向量配置设计法，最优化设计方法等，所设计的切换超平面需满足达到条件，即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。

控制器的设计有固定顺序控制器设计、自由顺序控制器设计和最终滑动控制器设计等设计方法[1]。

现在以N维状态空间模型为例，采用极点配置方法得到M(N<M)维切换超平面，控制器采用固定顺序控制器的设计方式，首先控制器控制任意点到Q1超平面（M维）形成M-1阶滑动模态，系统到达Q1超平面后由于该平面的达到条件而保持在该超平面上所以后面的超平面将是该超平面的子集；然后控制器采用Q1对应的控制规则驱动到Q1与Q2交接的Q12平面（M-1维）得到M-2滑动模态，然后在Q12对应的控制规则驱动下到Q12与Q3交接的Q123平面（M-2维），依次到Q123..m平面，得到最终的滑模，系统在将在达到条件下保持在该平面，使系统得到期望的性能。

滑模控制的优点是能够克服系统的不确定性, 对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性,尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。