受正弦扰动的线性时滞系统的最优输出跟踪控制

考虑参考输入由外系统给出的状态含有时滞的线性系统在正弦干扰下的最优输出跟踪问题.利用逐次逼近法,通过构造线性非齐次两点边值问题序列,求得了用于补偿时滞的伴随向量.分别利用参考输入外系统状态、干扰及其导数信号引入前馈控制作用.得到的控制律包含精确反馈项、前馈项和伴随向量极限形式的时滞补偿项.通过引入参考输入观测器解决由于引入外系统状态而导致的前馈控制律的物理不可实现问题.仿真结果表明该方法的有效性.     

随机波浪作用下海洋平台主动控制的时滞补偿研究

基于预测控制理论，研究了适用于海洋平台的时滞补偿控制算法。该方法借助于随机波浪力的近似公式和卡尔曼滤波原理，推导出了随机波浪力向前一步预测公式，同时采用卡尔曼滤波方程，实现了对状态向量向前一步预测。利用随机波浪力及状态向量的实时在线预测公式，推导出最优控制力向前一步预测的表达式。在此基础上，发展了不仅适用于反馈控制系统而且适用于前馈-反馈控制系统的时滞补偿算法。采用一典型海洋平台为数值算例，计算结果表明，该方法在一定时滞范围内对海洋平台主动控制中时滞的补偿效果是显著的。     

基于无记忆状态观测器的多时滞不确定非线性系统的自适应控制

针对一类多时滞不确定非线性系统,研究了基于无记忆状态观测器的自适应控制问题.时滞状态扰动的上界未知,在控制中通过自适应律估计未知参数,并利用估计值设计了不依赖于时滞的无记忆状态观测器和控制器,基于Lyapunov-Krasovskii函数证明了观测误差渐近收敛到零.最后仿真结果说明了该方法的有效性.     

含有控制时滞系统的输出反馈扰动抑制

研究在持续外界扰动作用下,具有控制时滞线性系统的动态输出反馈扰动抑制问题。首先利用模型转换将控制时滞系统转化为形式上无时滞的系统,通过求解Riccati方程和Sylvester方程,推导出前馈—反馈最优扰动抑制控制律。然后构造能同时预估状态和扰动的降维观测器,不仅解决前馈控制和状态反馈的物理不可实现问题,而且得到了近似于最优扰动抑制控制律的动态输出反馈扰动抑制控制器。仿真实例证明此控制律的有效性。     

含输入和输出时滞离散时间系统的最优跟踪控制

针对一类含有输入时滞和输出时滞的离散时间系统,给出了一种无时滞转换方法,并给出了此类系统在受扰情况下的最优跟踪控制律。为避免求解含有超前项和时滞项的两点边值问题,对原时滞系统进行了无时滞转换。根据系统的最优控制理论,构造了转换后系统的二次性能指标。通过求解Riccati差分方程得到了最优跟踪控制律。构造了扰动外系统观测器和参考输入外系统观测器来解决最优跟踪控制律中所含有的前馈项的物理不可实现问题。仿真实例表明所提出的最优跟踪控制律有效。     

具有小时滞的线性系统次优控制的无滞后转换法

该文研究线性时滞定常系统的次优控制问题。根据无滞后转换法的思想 ,先引入状态向量的增量 ,将其视为附加扰动输入 ,再利用微分方程的逐次逼近法 ,将既含有时滞项又含有超前项的两点边值问题化为既不含时滞项又不含超前项的两点边值问题族。然后 ,把第 N次逼近得到的控制律近似为系统的最优控制律 ,得到次优控制律。并用实例仿真验证了该算法的有效性。该方法可使小时滞系统的迭代次数大大减少 ,因此尤其适合于小时滞系统的次优控制。     

具有变时滞的非线性系统的时滞相关非脆弱保成本控制

对于一类具有变时滞和控制器增益摄动的非线性系统,研究非脆弱保成本控制问题。在控制器参数存在加法摄动和乘法摄动2种情况下,设计1个无记忆状态反馈非脆弱保成本控制律,使闭环系统渐近稳定,并且闭环性能指标不超过某个确定的上界。利用线性矩阵不等式方法,给出时滞相关的非脆弱保成本控制律存在的条件和控制器的设计方法。     

受正弦扰动的线性系统的无静差控制

研究线性系统在正弦扰动下的扰动抑制问题。对于一类受正弦扰动的n阶线性系统,提出了一种具有二阶动态特性的状态反馈控制算法。设计的动态反馈控制律结构由两部分构成。首先利用内模原理,在控制器中嵌入了正弦扰动的模态矩阵,实现了闭环系统的无静差扰动抑制。然后通过设计控制器中的n+2个参数,使闭环系统的极点实现任意配置,从而保证了闭环系统的指数渐近稳定性。数值仿真算例说明了控制策略的有效性。     

基于观测器的不确定离散变时滞系统的稳定性

本文讨论了基于观测器的不确定离散变时滞系统的滑模控制问题。首先,为了估计所要研究的不确定离散系统的状态,构造了状态观测器,并设计了理想的滑模控制律,以保证切换面有限时间的可达性,实现滑动模运动。其次,基于Lyapunov-Krasovskii泛函法以及线性矩阵不等式(LMI)等方法,给出误差离散系统和滑模动力离散方程的渐近稳定性判据。最后,给出了一个数值算例说明了本文结果的有效性和可行性。     

不确定中立型变时滞系统基于状态观测器的滑模控制

本文讨论了不确定中立型变时滞系统的滑模控制问题。首先,为了估计所要研究的不确定中立型系统的状态,构造了一个状态观测器,并设计了滑模控制律,以保证切换面的有限时间可达性。其次,基于Laypunov-Krasovskii泛函法以及线性矩阵不等式(LMI)等方法,给出了误差系统和滑模动力方程的渐近稳定性判据。最后,给出了一个数值算例说明了文本结果的有效性和可行性。     

带状态滞后及控制滞后的一阶线性系统预测镇定

研究状态变量及控制变量均带滞后的一阶线性系统的预测镇定问题。通过按无滞后系统设计控制规律,预测物理上不可实现的超前状态变量的方法,得到了预测镇定控制规律。该控制规律可保证闭环系统的无穷个极点都位于根平面上希望极点的左边。     

Adaptive Observer Based Backstepping Controller Design for Dynamic Ship Positioning

Modified adaptive observer based backstepping control system for dynamic positioning of ship is proposed. As an improvement, the adaptive observer takes the first-order wave frequency model and the bias term which represent the slowly varying environmental disturbances and the unmodeled dynamics. Thus, the wave-frequency motions are filtered out, and only the reconstructed low-frequency motions are sent as inputs of the controller. Furthermore, as the ship dynamics parameters are unknown, the adaptive estimation law is designed for both the unknown ship dynamics and the unmeasured state variables. Based on the estimated states and parameters, backstepping controller considering the integral action is designed. Global exponential stability (GES) for the total system is proved using Lyapunov direct method. Simulation results show a good performance of the observer and control system.     

含确定扰动的线性离散时滞系统的前馈-反馈最优控制

研究在外界持续干扰的动态特征已知的情况下,线性离散时滞系统的前馈-反馈最优控制问题。给出了前馈-反馈最优控制存在的唯一性条件,提出了前馈-反馈最优控制律的逐次逼近算法;通过截取最优控制序列解的有限项,得到系统的前馈-反馈次优控制律,并利用扰动观测器解决了其物理可实现问题。该算法容易实现,计算工作量小,且对外部持续扰动有良好的鲁棒性。仿真结果说明了算法的有效性。     

水下机器人-机械臂系统的滑模自抗扰控制

针对水下机器人机械臂系统的强耦合、强非线性、复杂海洋多源干扰等因素影响,提出了滑模自抗扰控制器,将复杂系统模型转变为简单的积分串联系统,将内部参数不确定性、测量误差、建模误差和海洋多源干扰等扰动归结为总扰动,并采用线性扩张观测器对其进行估计并抵消。利用滑模控制器提高系统对参数摄动的不敏感性,增强控制系统的抗干扰性能,通过李雅普诺夫理论分析了控制系统的有界稳定性。仿真结果表明滑模自抗扰与传统滑模控制和自抗扰控制相比,能使水下机器人机械臂实现更好的轨迹跟踪,且系统具有更好的抗干扰能力。     

Nonlinear adaptive control of an underwater towed vehicle

This paper addresses the problem of simultaneous depth tracking and attitude control of an underwater towed vehicle. The system proposed uses a two-stage towing arrangement that includes a long primary cable, a gravitic depressor, and a secondary cable. The towfish motion induced by wave driven disturbances in both the vertical and horizontal planes is described using an empirical model of the depressor motion and a spring-damper model of the secondary cable. A nonlinear, Lyapunov-based, adaptive output feedback control law is designed and shown to regulate pitch, yaw, and depth tracking errors to zero. The controller is designed to operate in the presence of plant parameter uncertainty. When subjected to bounded external disturbances, the tracking errors converge to a neighbourhood of the origin that can be made arbitrarily small. In the implementation proposed, a nonlinear observer is used to estimate the linear velocities used by the controller thus dispensing with the need for costly sensor suites. The results obtained with computer simulations show that the controlled system exhibits good performance about different operating conditions when subjected to sea-wave driven disturbances and in the presence of sensor noise. The system holds promise for application in oceanographic missions that require depth tracking or bottom-following combined with precise vehicle attitude control.     

受扰线性系统的前馈-反馈最优控制

针对具有外部持续扰动的线性系统，研究前馈-反馈最优控制律的设计问题。给出了最优控制律的存在唯一性条件。并提出了最优控制律的设计算法。利用滤波器解决了前馈控制的物理不可实现问题。仿真结果表明，此算法易于实现，与传统的反馈最优控制相比对抑制外部扰动具有较强的鲁棒性。     

Adaptive optimal control of an autonomous underwater vehicle in the dive plane using dorsal fins

In this paper, adaptive control of low speed bio-robotic autonomous underwater vehicles (BAUVs) in the dive plane using dorsal fins is considered. It is assumed that the model parameters are completely unknown and only the depth of the vehicle is measured for feedback. Two dorsal fins are mounted in the horizontal plane on either side of the BAUV. The normal force produced by the fins, when cambered, is used for the maneuvering. The BAUV model considered here is non-minimum phase. An indirect adaptive control system is designed for the depth control using the dorsal fins. The control system consists of a gradient based identifier for online parameter estimation, an observer for state estimation, and an optimal controller. Simulation results are presented which show that the adaptive control system accomplishes precise depth control of the BAUV using dorsal fins in spite of large uncertainties in the system parameters.     

Robust and adaptive path following for underactuated autonomous underwater vehicles

This paper proposes a nonlinear robust adaptive control strategy to force a six degrees of freedom underactuated underwater vehicle with only four actuators to follow a predefined path at a desired speed despite of the presence of environmental disturbances and vehicle’s unknown physical parameters. The proposed controller is designed using Lyapunov’s direct method, the popular backstepping and parameter projection techniques. The closed loop path following errors can be made arbitrarily small. Interestingly, it is shown that our developed control strategy is easily extendible to situations of practical importance such as parking and point-to-point navigation. Numerical simulations are provided to illustrate the effectiveness of the proposed methodology.