UUV航迹跟踪的双闭环Terminal滑模控制

针对模型参数不确定及存在外界海流扰动情况下全驱型无人水下航行器(UUV)的航迹跟踪问题,提出了一种双闭环Terminal滑模控制方法。首先,为了防止UUV位置和姿态跟踪控制出现超调量过大的问题,在外环中引入位置和姿态负反馈,设计了UUV的参考速度作为镇定UUV位置和姿态跟踪误差的虚拟控制律。然后,在内环中将虚拟控制律作为跟踪目标。考虑到传统滑模控制会出现"抖振"现象,采用Terminal滑模控制方法,在消除"抖振"的同时,使滑模面上的速度跟踪误差在有限时间内收敛到稳态。最后,运用Lyapunov稳定性理论证明了该双闭环Terminal滑模控制系统的稳定性。仿真结果表明,该控制方法能够实现UUV对空间航迹的精确跟踪。     

欠驱动船舶路径跟踪的神经滑模控制

为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,提出一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和艏摇角的参考值,并视为镇定位置误差的虚拟控制律,将路径跟踪问题转化为纵向速度和艏摇角的镇定问题;结合神经网络和滑模方法,设计一种新的神经滑模鲁棒控制器,实现了对虚拟控制律的跟踪控制,无需确定参数摄动和外界干扰的上界,避免了控制器容易出现的饱和问题和抖振现象。仿真试验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型摄动和外界干扰变化不敏感,可以实现路径的理想跟踪。     

无人机倾斜转弯飞行控制系统设计与仿真

针对倾斜转弯(BTT)无人机飞行控制中的多变量强耦合问题,研究了一种适用于BTT无人机的反演算法,以实现飞行控制系统的自适应解耦控制。根据采用倾斜转弯控制无人机的基本特性,建立无人机的非线性控制模型,并将其转化为适用于反演设计的反馈块模型。在此模型上,基于反演的非线性控制系统设计方法,加入自适应神经网络逼近系统中存在的不确定性,基于Lyapunov稳定性理论推导了自适应调节律,设计了无人机飞行系统控制律。仿真结果表明该控制器能够实现控制解耦目的,且对指令信号跟踪效果良好,验证了该设计的有效性和可行性。     

基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制

针对具有输入饱和限制的非线性不确定动力定位船设计了一种基于扰动观测器的终端滑模(TSM)航迹跟踪控制算法。首先,为解决系统时变外部干扰与模型参数不确定问题,设计了一种终端滑模干扰观测器,该观测器可以保证所得到的估计误差在有限时间内收敛到零,进而提出了一种基于扰动观测器的终端滑模航迹跟踪控制律,该控制律可以保证动力系统在不确定输出上下界情况下给出合理的控制指令,并利用有限时间Lyapunov稳定性理论证明了在所设计的控制律下闭环系统所有状态在有限时间内收敛。最后,动力定位船舶的航迹跟踪控制仿真试验研究验证了该控制算法的有效性。     

水下航行器三维航迹反演滑模跟踪控制

本文提出一种自治水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)三维轨迹跟踪控制算法。将AUV在三维空间的运动通过反演法和变结构滑模控制律设计出AUV航迹跟踪控制律,通过Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性。在同时考虑加入外界干扰的条件下,使其控制效果在3个坐标轴上都能够达到稳定并且有平滑连续的输出结果,对外界干扰有较好的抑制作用。仿真结果表明了所提控制律的有效性。     

基于稳定逆的UUV路径跟踪控制

针对水下无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)路径跟踪过程中存在的非最小相位特性,提出了一种基于稳定逆的UUV路径跟踪控制方法。根据稳定逆的思想,首先,求取跟踪系统内动态的有界解;通过求解过程,设计了跟踪系统基于期望轨迹的稳定逆;由稳定逆产生期望控制输入和期望的状态轨迹,反馈控制器实现了系统在线完成对期望轨迹的精确跟踪。仿真实验证实该方法可以实现UUV对规划路径的精确跟踪。     

一种新型导弹姿态稳定回路设计方法

针对参数不确定性系统鲁棒控制比较成功的设计方法即采用定量反馈理论(QFT)设计,导弹在发射及转弯过程中,系统模型参数具有较强不确定性,且弹体参数随时间连续变化.本文以某型巡航导弹俯仰通道为研究对象,将定量反馈理论控制律设计方法应用于巡航导弹俯仰稳定回路控制系统的设计之中,设计该对象的姿态控制器并进行仿真研究.仿真结果表明,所设计的控制律满足导弹不同特征点的鲁棒稳定性指标和跟踪性能,且与传统PID控制相比,系统的过渡过程和超调量有了明显的改善.     

基于模糊自适应滑模方法的AUV轨迹跟踪控制

针对水下航行环境中自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)航迹精确跟踪问题,提出一种基于模糊自适应滑模方法的AUV航迹跟踪控制算法。在建立AUV系统动力学模型基础上,将其运动通过变结构滑模控制律结合模糊逼近设计出AUV航迹跟踪控制系统,采用模糊系统实现模型未知干扰的自适应逼近,基于Lyapunov稳定性理论,讨论了闭环系统的稳定性。在考虑加入外界干扰的条件下使用Matlab/Simulink软件,进行数值仿真,模拟轨迹跟踪能够达到稳定并且较平滑连续跟踪预定航迹,对干扰有较好的抑制作用。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

基于ESO和动态逆的欠驱动船舶航迹跟踪控制设计

针对欠驱动船舶航迹跟踪控制问题,考虑船舶动态不确定性、未知时变外部扰动和速度不可测的情况,将输出重定义方法、扩张状态观测器(extended state observer, ESO)和动态逆控制方法相结合,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律。输出重定义方法用来解决系统欠驱动问题;构造ESO,估计由船舶动态不确定性、未知时变外部扰动以及船舶各自由度运动状态变量间的耦合构成的总扰动和船舶速度;基于上述,采用动态逆控制方法,设计航迹跟踪控制律,使欠驱动船舶跟踪期望航迹,并保证航迹跟踪闭环控制系统所有信号最终一致有界。以一艘欠驱动船舶为例进行仿真研究,仿真结果验证了所设计的航迹跟踪控制律的有效性和优越性。     

双推进无人艇轨迹跟踪控制系统设计

针对无人艇(USV)航行环境复杂,模型建立困难的问题,以双推进无人艇为研究对象,根据PID神经网络自学习和滑模控制对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识的特点,提出一种由外环的轨迹控制和内环的航速艏摇角速度控制组成的双闭环轨迹跟踪控制方法。其中航速艏摇角速度控制由两个单变量PID神经网络构成,轨迹控制采用动态系统全局渐进稳定定理和滑模变结构控制理论设计轨迹跟踪的位置控制律和姿态控制律,从而实现双推进无人艇轨迹跟踪。理论分析和实船实验均表明,该轨迹跟踪控制系统能够较好地实现无人艇对参考轨迹的跟踪。     

Serret-Frenet框架下欠驱动船的输出反馈路径跟踪鲁棒控制

研究欠驱动船舶在规定速度条件下的路径跟踪控制问题,提出一种基于终端滑模与Backsteping方法相结合的复合输出反馈控制策略.该控制策略利用Backsteping能够获得控制算法显式解的优点,构造出控制器算法的结构形式,然后设计一个基于观测器设计的逆动态终端滑模面,使得系统的估计状态跟踪误差能够在有限时间到达滑模面上,最终达到系统可镇定.最后,通过Lyapunov稳定性理论证明该复合控制策略的稳定性.利用实船数据进行数字仿真,结果表明该控制策略具有良好的跟踪性能.     

基于逆推方法的非线性船舶航迹跟踪控制

基于包括科氏向心矩阵和非线性阻尼项的、带恒值扰动的非线性船舶水面运动数学模型,采用带积分器的逆推(Backstepping)设计工具,设计船舶航迹跟踪控制律;并借助Lyapunov函数、应用相关引理证明了所设计的船舶航迹跟踪控制律使得最终的闭环航迹跟踪控制系统一致全局渐近稳定,达到航迹跟踪控制的目的.仿真研究表明,所设计的控制律使船舶能够克服恒值扰动跟踪期望航迹,且控制量合理,从而验证了所设计控制律的有效性.     

多领航者导引无人船集群的分布式时变队形控制

[目的]针对含有模型高度不确定性和未知海洋环境扰动的无人船集群,研究多领航者导引的欠驱动无人船(USV)集群的分布式时变队形控制问题。[方法]首先,在运动学层级,基于包含策略和路径操纵原理,设计时变队形分布式制导律;然后,在动力学层级,针对USV航行中存在的模型不确定性以及未知海洋环境扰动,设计基于扩张状态观测器(ESO)的前向速度和艏摇角速度控制律,减小模型不确定性和未知海洋环境扰动带来的影响;最后,进行级联系统稳定性分析和控制器有效性的仿真验证。[结果]研究表明,无人船集群采用的分布式时变编队闭环控制系统输入状态稳定,仿真结果证明了控制方法的有效性。[结论]所提出的控制器可以使无人船集群形成预定的时变编队队形,并跟踪多领航者形成的凸包。     

基于快速终端滑模自抗扰的船舶曲线航迹跟踪控制

针对欠驱动船舶的曲线航迹跟踪问题,首先采用自抗扰控制技术,通过扩张状态观测器实时估计和补偿系统的内部和外界扰动,将非线性快速终端滑模引入误差反馈控制环节,并采用幂指数趋近律,设计出快速终端滑模-自抗扰控制律,提高系统的收敛速度和误差跟踪精度,减小系统的抖振;然后对野本船舶模型简化变形,构造降维方程,将航迹跟踪问题转化为航向镇定问题.Simulink仿真结果表明,控制器能够实现船舶对期望曲线航迹的快速、精确跟踪,具有良好控制效果.     

考虑系统延时的无人船路径跟踪控制

针对无人船因控制系统延时而导致的路径跟踪性能退化,提出计及系统延时的路径跟踪控制策略,并设计了基于模型预测控制算法的双层路径跟踪控制器。基于线性模型预测控制算法,设计了USV运动学控制器,以此减小无人船路径跟踪偏差并得到期望速度。将系统延时处理为一阶系统,并将其和无人船的动力学模型耦合。基于非线性模型预测控制,设计了USV动力学控制器,用于响应无人船的期望速度。数值仿真结果表明,在存在系统延时的仿真环境中,论文提出的针对控制系统延时的处理策略可减小无人船的路径跟踪偏差和改善控制形态输入的平顺性。     

动力定位船舶自适应反步逆最优循迹控制

针对动力定位船舶的循迹任务,提出了一种基于逆最优思想的自适应反步控制器,并对误差系统的稳定性进行了分析。首先对无干扰的动力定位船舶线性化模型设计最优跟踪控制器,利用时变Riccati方程进行反步状态变换得到误差系统,再基于 Lyapunov 函数对定常干扰设计自适应律和使系统渐近稳定的控制律,最后给出此控制律作用下的最优性能指标。该方法不用论证带有H∞范数的广义Riccati代数方程可解性,避免了传统非线性 H∞鲁棒控制需要求解 Hanmilton-Jacobi-Issacs(HJI)方程的问题。动力定位船舶的循迹控制仿真研究验证了算法的有效性。     

水面无人艇环形轨迹跟踪方法研究与实现

为提高无人航行器对轨迹的实航跟踪能力,结合航行器运动特性,提出势点跟踪算法,实现对典型航迹(环形轨迹)的稳定跟踪。以无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle, USV)作为验证平台,基于拟合偏差的最小二乘航向辨识,获得系统数学模型,并设计相应的控制律,在搭建好仿真平台后,针对无人水面艇控制特性设计相关控制策略及制导律,完成势点跟踪算法的设计及仿真验证。后经典型海况下多航次试验,经过对实航轨迹及USV与环形轨迹间距离变化规律分析,并结合数据均方根大小,表明了环形轨迹跟踪方法设计的合理性。     

基于快速终端滑模自抗扰的船舶曲线航迹跟踪控制

针对欠驱动船舶的曲线航迹跟踪问题,首先采用自抗扰控制技术,通过扩张状态观测器实时估计和补偿系统的内部和外界扰动,将非线性快速终端滑模引入误差反馈控制环节,并采用幂指数趋近律,设计出快速终端滑模-自抗扰控制律,提高系统的收敛速度和误差跟踪精度,减小系统的抖振;然后对野本船舶模型简化变形,构造降维方程,将航迹跟踪问题转化为航向镇定问题。Simulink仿真结果表明,控制器能够实现船舶对期望曲线航迹的快速、精确跟踪,具有良好控制效果。     

动力定位船舶全速度路径跟踪CB导引自适应闭环控制

针对仅使用槽道推进器提供横向推力的动力定位船舶路径跟踪控制问题,建立慢变环境干扰影响下的非线性船舶数学模型,设计带有自适应干扰补偿的反步控制算法来消除环境干扰的影响。引入平行目标接近(CB)导引算法为跟踪控制生成期望速度矢量信号,通过与所提出的自适应反步控制算法相结合,得到不受船舶驱动特性限制的全速度范围动力定位船舶导引跟踪控制算法,应用李雅普诺夫稳定性理论证明系统跟踪误差渐进收敛到零。仿真结果表明通过调整导引算法参数可以调节船舶跟踪过程表现,并可以得到较好的控制精度。     

欠驱动船舶全局K指数航迹跟踪的级联反步法

研究一类欠驱动船舶的全局航迹跟踪问题。首先对船舶动态系统和期望动态系统分别进行全局微分同胚变换,得到航迹跟踪的误差动态方程,由此将航迹跟踪问题转化为误差动态系统的镇定问题,然后利用级联系统理论将误差动态方程的镇定问题分解为两个独立子系统的镇定问题。通过分别为子系统设计全局指数稳定控制律实现了欠驱动船舶的全局K指数航迹跟踪。仿真结果验证了所提方法的有效性。