新型自适应Terminal滑模控制及其应用
摘 要:针对一类高阶MIMO非线性系统设计了基于快速模糊干扰观测器的自适应Terminal滑模控制方案.通过设计快速模糊干扰观测器,克服了传统模糊干扰观测器在误差较小时收敛速度慢的缺点.严格证明了跟踪误差及观测误差均在有限时间内收敛到零的小区域.最后在高超声速条件下,对空天飞行器再入过程的姿态控制进行仿真,结果表明了所设计干扰观测器的优越性和闭环控制方案的有效性.
滑模控制(Sliding mode control, SMC)由于设计简单、鲁棒性强,一直受到人们的关注[1].然而,传统SMC通常采用线性滑模面,只能保证跟踪误差渐进稳定到平衡点,并且抖振的存在很容易激发系统的未建模动态.Man等[2]通过引入神经网络中最终吸引子(Terminal attractor)的概念,设计了Terminal滑模控制(Terminal slidingmode control, TSMC),使跟踪误差在有限时间内收敛到平衡零点.Park等[3]为了避免文献[2]中的奇异问题,提出了另一种带补偿函数的TSMC,消除了SMC的到达过程,并且可以任意设计误差的收敛时间.然而,文献[3]中存在如Terminal滑模面的导数不连续、对干扰的处理过于保守等问题.Yu等[4]提出了避免出现非实数情况的TSMC,但仅仅考虑了二阶系统,且最后得到的收敛区域可能很大.
模糊干扰观测器(Fuzzy disturbance observer,FDO)能在线无限逼近未知干扰和不确定,且优于直接或间接自适应模糊方法[5-6],因而成为当前研究的热点.但传统FDO在逼近误差很小时,调节速度慢.受文献[7]启发,通过改进FDO的自适应学习律,提出了快速模糊干扰观测器(Fast fuzzy dis-turbance observer, FFDO),缩短了FDO的逼近时间,消除了文献[5]中对于未知干扰变化缓慢的限制;然后,针对一类高阶MIMO系统设计了自适应TSMC;最后,在高超声速条件下对空天飞行器再入大气层的姿态控制进行仿真,结果表明,所提出方法具有强自适应性和快速响应速度.
1 快速模糊干扰观测器设计
1.1 系统描述
考虑如下高阶MIMO非线性系统:
5 结 论
首先针对传统FDO在观测误差非常小时学习缓慢的缺点,设计了FFDO,严格证明了观测误差在有限时间内收敛到一个小区域.然后基于FFDO设计了鲁棒Terminal滑模控制控制方案,消除了系统不确定和外部干扰的影响,并保证观测误差和系统误差均在有限时间内收敛到各自的小区域,从而提高了整个闭环系统的响应速度.最后,在高超声速条件下,对ASV再入中姿态控制仿真的结果充分显示了所设计方案的快速性和鲁棒性.
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