欠驱动船舶自适应迭代滑模轨迹跟踪控制

针对欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题, 考虑系统存在未知参数和外界扰动, 提出了一种带强化学习的神经网络自适应迭代滑模控制方法; 利用轨迹跟踪的横向和纵向误差信息构造非线性迭代滑模面, 分别设计了船舶柴油机转速和舵角的神经网络迭代滑模控制器; 根据船舶柴油机转速和舵角的实时测量值, 计算了反映控制量抖振状态的强化学习信号, 在线优化了神经网络的结构和参数, 以抑制控制量的抖振, 进一步增强控制系统的自适应性; 建立了5446TEU集装箱船舶数学模型, 分别对圆轨迹和正弦轨迹进行了跟踪控制。仿真结果表明: 在风浪扰动下圆轨迹跟踪时, 与迭代滑模控制策略相比, 采用提出的控制策略250s左右能跟踪上目标轨迹, 速度提高约1倍, 最大跟踪偏航距离为250m, 误差减小约30%, 控制舵角在400s后基本平稳, 波动幅值约为2°, 舵角和柴油机转速的抖振变化幅值均减小了50%以上, 柴油机转速控制参数和舵角控制参数分别在38~45和3.3~3.9之间实现了自适应调节; 在正弦轨迹跟踪时, 与模糊迭代滑模控制策略相比, 采用提出的控制策略纵向跟踪平均误差小于20m, 减小了50%以上, 舵角抖振量平均幅值小于10°, 减小了60%以上, 柴油机转速控制参数和舵角控制参数分别在5.7~5.8和0.8~2.5之间实现了自适应调节。     

基于T-S模糊模型的多轴转向车辆H_∞鲁棒控制

为解决多轴转向车辆模型非线性和各种干扰影响下的控制问题,分析了轮胎非线性和外界干扰,建立多轴转向车辆的二自由度非线性模型,应用T-S模糊理论,将其转换为局部线性的T-S模糊模型。基于并行分配补偿法(PDC)和H∞鲁棒控制理论,设计了转向系统的模糊PDC H∞鲁棒控制器,并利用线性矩阵不等式和模糊逻辑控制工具求解控制器。在正弦波和阶跃信号干扰下,车速为80km.h-1时,进行前轮转向回正和前轮角阶跃输入转向的仿真试验。仿真结果表明:侧偏角和横摆角速度动态响应的超调均为0,且均在0.06s内达稳态值;前轮转向回正试验的侧偏角和横摆角速度稳态值均为0,前轮角阶跃输入转向试验的相应值分别为0和1.2(°).s-1,且稳态横摆角速度增益为0.24[(°).s-1].(°)-1。这说明了多轴转向车辆在模糊PDC H∞鲁棒控制下的高速转向平稳迅速,T-S模糊建模和鲁棒控制器设计算法对解决轮胎非线性和外界干扰影响是有效的。     

基于滑模变结构控制的SUV稳定性研究

针对SUV侧倾稳定性较差的问题,提出了基于滑模变结构控制的方法。首先建立3-DOFSUV横向-侧倾动力学模型;基于理想的质心侧偏角和横摆角速度,分别设计了以期望质心侧偏角、期望横摆角速度和兼顾两期望值为控制目标的基于指数趋近律的滑模控制器;然后基于Matlab/Simulink建立SUV车辆模型与滑模控制策略,选取典型试验工况进行仿真分析。仿真结果表明:兼顾两期望值的控制策略能较好地使车辆的横摆角速度、质心侧偏角、侧倾角的动态响应满足控制要求。     

基于分段式双幂次趋近律的迭代滑模航向控制

应用滑模变结构控制方法设计了一种简单高效的船舶航向控制器.为解决滑模变结构控制器方法中的收敛速率慢和抖振强的难题,提出一种分段式双幂次趋近律.数学验证表明提出的趋近律的收敛速率更快.同时,在未知海况干扰下为使控制器时刻保持在最佳状态,引入RBF神经网络对控制器参数实施在线估计,增强自适应性.仿真结果表明:分段式双幂次趋近律削弱抖振效果明显,基本无抖振;依此方法设计的控制器对外界风浪干扰有更强的鲁棒性.     

基于动态面控制的船舶动力定位控制律设计

针对水面船舶动力定位控制问题, 考虑带有未知界的时变环境扰动, 将动态面控制技术与矢量逆推方法相结合, 设计了船舶动力定位系统的自适应鲁棒非线性控制律。引入动态面控制技术, 利用一阶滤波器的微分项代替虚拟控制矢量的微分项, 使得在控制律设计过程中的微分运算被简单的代数运算所替代, 简化了计算, 易于工程实现。为阻止自适应参数漂移, 采用包含基于σ-修正泄漏项的自适应律估计未知扰动的界。应用Lyapunov函数证明了所设计的控制律能迫使船舶的位置和艏向角达到并保持在期望值, 保证船舶动力定位闭环系统中所有信号最终一致有界。仿真结果表明: 在水平面上, 当船舶初始位置偏离期望位置25m时, 利用设计的控制律能迫使船舶在50s内达到期望的目标位置, 因此, 所设计的控制律是有效的。     

非匹配不确定奇异系统变结构控制设计

研究一类系统状态矩阵含非匹配不确定项的线性奇异系统的变结构控制设计问题.建立了能控规范受限等价分解形式.基于分解形式,利用线性矩阵不等式方法设计了切换面,并给出了满足系统状态到达切换面条件的变结构控制律.仿真示例表明,该设计方法不仅能保证系统状态轨迹实现滑模运动,而且保证系统的滑模运动正则、无脉冲且渐近稳定.     

磁悬浮控制器设计及静悬浮稳定性分析

为实现磁浮列车在低轨道梁刚度下稳定悬浮,降低轨道梁建设成本,依据牛顿第二定律建立了单铁-弹性轨道-车体耦合动力学模型.首先,设计出状态观测器将悬浮电磁铁、轨道梁及车体的振动状态引入控制系统;然后,利用线性矩阵不等式求解法求解出系统的状态反馈增益矩阵,结合二者利用MATLAB进行相关动力学仿真,得出轨道梁刚度与质量分别为200 k N/m与325 kg的最佳取值.分析结果表明,与传统的基于黎卡提方程求解的控制器相比,采用线性矩阵不等式求解法具有更优的二次性能指标;所提出的控制方法能够实现系统在较低轨道梁刚度与质量下的稳定悬浮,并能在0.5 s左右进入稳定状态;系统在一定外界扰动下具有鲁棒性.     

基于船撞桥墩有限元数值仿真分析

以赣江某跨桥梁为研究对象,利用有限元软件ANSYS进行船桥碰撞建模分析,研究船舶以不同的速度及质量撞击桥墩的动态响应。结果表明:桥墩的被撞区和桥墩底部属于危险区域,在该区域内应力在极短的时间内迅速增大,而船舶的最大应力发生在碰撞区和船艏拐角处,尤其是船艏碰撞处迅速产生巨大的变形;随着船舶航行速度及载重量的不断增大,撞击力增长的速度、最大值以及船舶和桥墩的应力均明显增大,但不成线性或倍数增加。     

船舶航迹迭代非线性滑模增量反馈控制算法

分析了带有状态变量及控制输入约束条件的欠驱动船舶航迹控制问题, 结合增量反馈技术, 对控制系统输出进行动态非线性滑动模态分解迭代设计, 提出了一种基于分解迭代非线性滑模的船舶航迹增量反馈控制方法, 以避免定常干扰引起的稳态误差及变结构控制的抖振问题, 无需对不确定风、流干扰以及模型参数进行估计, 能够同时稳定船舶的航向和航迹。应用“育龙”轮的系统模型进行了仿真, 结果表明, 控制器对系统参数摄动及外界干扰不敏感, 具有强的鲁棒性, 且其设计参数物理意义明显, 易于调节。     

船舶航向不对称信息理论与非线性逆推鲁棒控制算法

应用不对称信息理论和鲁棒控制算法简化非线性逆推算法, 针对非线性船舶航向保持系统, 设计了其Backstepping逆推控制器, 由非线性函数项和常规线性控制器组成, 将简化的Back-stepping法与闭环增益成形算法相结合, 设计其非线性鲁棒控制器。通过非线性鲁棒控制器的控制能够使船舶无超调、无静差地跟踪设定航向, 调节时间为600 s, 符合船舶航行的实际情况, 控制效果良好; 当系统增加干扰后, 系统的控制输出除了因干扰产生的抖动外, 其跟踪性能仍然较好, 航向输出无静差, 说明控制器具有一定的鲁棒性; 是否全部对消非线性项, 对其控制效果相差不大, 说明当模型发生参数摄动时, 系统的控制性能仍能保证。     

吊舱推进电机的无模型自适应滑模矢量控制

为解决半潜船吊舱推进电机控制系统中负载扰动造成的转速跟踪性能差的问题, 提出一种基于数据驱动的吊舱推进电机转速矢量控制方法; 对包含未知负载扰动的推进电机转速方程进行离散化处理, 给出关于输出转速与输入电流离散后的非线性转速系统; 由于非线性转速系统方程中变量较多且负载扰动模型未知, 设计了基于数据驱动的无模型自适应控制器, 并给出了伪偏导数估计算法; 采用滑模观测器观测螺旋桨负载扰动, 同时给出了滑模控制器; 结合无模型自适应控制和滑模控制给出了负载扰动下的无模型自适应滑模(MFASM)控制方案; 构建了吊舱推进电机无模型自适应滑模矢量控制调速系统, 并在MATLAB/Simulink环境下给出了仿真结果。研究结果表明: 在船舶正常作业恒定转速下, 在0.3~0.5 s时间区域内, 采用MFASM矢量控制方案和PI矢量控制方案的吊舱推进电机的转速误差分别为2、6 r·min^-1; 在0.8~1.0 s时间区域内, 采用无模型自适应滑模矢量控制方案和PI矢量控制方案的吊舱推进电机的转速误差分别1、3 r·min^-1; 对于船舶操车作业的可变转速情形, 采用MFASM矢量控制方案的推进电机转速和转矩达到稳态的时间比PI矢量控制方案少0.01~0.03 s。可以看出, 采用MFASM矢量控制方案可改善吊舱推进电机转速跟踪性能, 是一种有效的抑制负载扰动的数据驱动控制方法。     

欠驱动船舶非线性滑模靠泊控制器

为了准确控制典型靠泊操纵, 分析了带有加速度非完整约束的欠驱动水面船舶的自动靠泊问题, 设计了动态输出反馈控制器。利用递归分解迭代设计方法, 在扩展状态空间定义了非线性滑模, 将控制系统的轨迹设计与跟踪问题转化为标量零阶系统的镇定控制问题, 结合增量反馈技术, 无需对不确定模型参数以及风、流干扰进行估计, 完成典型靠泊操纵的自动控制。仿真结果表明: 控制器对干扰变化不敏感, 具有强的鲁棒性, 且船舶平面运动轨迹设计过程简单, 可以仅通过一个参数进行轨迹调节。     

横向运动学综合反馈EPS模糊滑模控制

针对电控助力转向EPS电机电流的跟随性以及震颤问题,建立汽车转向系模型,提出模糊滑模结构控制算法。考虑到横向运动学信息对驾驶员操纵特性的影响,运用反馈和模糊滑模控制思想,设计了权系数模糊,自动调整横向运动学综合反馈的EPS模糊滑模控制器。仿真结果显示：横向运动学综合反馈模糊滑模控制的EPS电机电流具有良好的跟随性、快速性,且电流的震颤现象基本消失,系统具有良好的鲁棒特性,同时汽车的横摆角速度以及侧偏角的峰值明显下降,提高了汽车的操纵稳定性。     

高速列车滑模自抗扰黏着控制方法

为解决高速列车运行过程中因轨面情况改变,导致列车没有达到最大黏着利用而出现空转或滑行等问题,设计了一种基于最大黏着系数的滑模自抗扰(SM-ADRC)黏着控制器;考虑轮轨间黏着特性的复杂、时变与非线性等特点,基于黏着机理分析,建立了轮轨间牵引系统的力学模型;采用极大似然估计(MLE)方法对不同轨面的相关参数进行辨识,计算了当前轨面的最大黏着系数,保证列车始终能达到最大黏着利用;通过引入滑模算法改进了自抗扰控制(ADRC)中非线性误差反馈控制律部分,设计了一种SM-ADRC黏着控制算法,利用Levant跟踪微分器减小初始跟踪误差,利用扩张状态观测器(ESO)估计和补偿系统总的外部扰动,由滑模控制提高系统的鲁棒性;采用MATLAB软件对CRH380A型高速列车进行仿真,在轨面情况改变时,由SM-ADRC黏着控制器控制列车跟踪设定速度,并将其与比例积分微分(PID)控制器、滑模控制器、ADRC的仿真结果进行对比。仿真结果表明：干燥轨面的最大黏着系数是0.160,16 s时辨识出真值;潮湿轨面的最大黏着系数是0.106,18 s时辨识出真值;ADRC的速度跟踪误差范围为±1 km·h^-1,轨面变化后,速度跟踪误差波动幅度较大;SM-ADRC黏着控制器的速度跟踪误差范围为±0.4 km·h^-1,轨面变化后,速度跟踪误差波动幅度较小,更加平滑稳定,速度控制跟踪精度更高,且优于PID和滑模控制方法。可见,所提出的SM-ADRC黏着控制器能够实现列车的快速黏着控制,并达到最大的黏着利用。     

带有干扰观测器的欠驱动船舶路径跟踪非线性模型预测控制

针对欠驱动船舶提出了一种非线性路径跟踪控制器,使其能够在风、浪、流等环境干扰下驶入预定的航行路径.欠驱动船舶以恒定前进速度航行,并且其合速度与参考轨迹相切.该控制器的设计使用了解析模型预测控制和干扰观测器技术,其中非线性观测器用来估计环境干扰.在最优路径跟踪控制器的作用下,路径跟踪误差渐近收敛到零.数值仿真结果验证了该控制器的有效性.     

中速磁悬浮列车的滑模周期自适应学习控制方法

为了提高中速磁悬浮列车的运行控制性能,考虑到中速磁悬浮列车沿固定线路往返运行时的周期特性,提出了一种基于滑模周期自适应学习的中速磁悬浮列车运行控制算法,对应的滑模周期自适应控制器由等效比例积分微分(PID)和速度前馈控制部分、磁阻力与空气阻力补偿部分以及坡道阻力滑模周期自适应补偿部分组成;采用粒子群优化算法辨识了运行控制器的参数,采用滑模周期自适应学习控制器学习上一周期内的列车运行信息,实时估计并补偿列车运行过程中的坡道阻力,消除坡道阻力对列车运行性能的影响;利用全长5 076 m的中速磁悬浮列车半实物仿真试验线进行了数值仿真,并将设计的滑模周期自适应控制器与PID控制器进行仿真对比。仿真结果显示：滑模周期自适应控制器和PID控制器作用下的列车最大位置跟踪误差分别为0.004和0.007 m,最大速度跟踪误差分别为0.007和0.036 m·s^-1;经过4个迭代周期后,滑模周期自适应控制器已准确地估计了给定的坡道阻力;在控制系统受到扰动的情况下,滑模周期自适应控制器与PID控制器作用下的位置与速度跟踪曲线均有波动,相比于PID控制器,滑模周期自适应控制器控制下的跟踪曲线波动更小。可见,相比于传统的PID控制算法,提出的滑模周期自适应学习控制方法可以提高中速磁悬浮列车的运行控制性能。     

船舶进出港低速航向保持

为了在船舶进出港时, 船舶处于浅水域并以低速航行, 在风、浪等强扰动作用下, 增强航向控制性能, 减小能源损耗, 选择三阶Nomoto模型, 将航速和水深变化反映到模型参数的变化上, 基于闭环增益成形算法设计出一种具有适应性的鲁棒PID控制器, 建立基于风、浪干扰的非线性船舶运动数学模型, 并用S函数来实现。用PID控制器对非线性船舶运动数学模型进行控制, 在Simulink环境中对各种水深、船速及海况进行航向控制仿真。从仿真曲线可看出其航向跟踪效果良好, 静差为0, 且施舵合理, 所设计的控制器对非线性船舶运动数学模型具有良好的控制性能。