针对存在未建模动态和随机干扰等因素影响下的机械臂轨迹跟踪控制问题, 提出了一种新型非奇异固定时间滑模控制策略。首先, 利用凯恩方程和虚功原理, 推导了n自由度机械臂的动力学方程;然后, 由固定时间稳定理论设计了新型固定时间滑模面, 结合6R机械臂的凯恩动力学模型, 针对机械臂的模型参数不确定性和外界干扰, 设计了非奇异固定时间滑模控制器, 并基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性;最后的数值仿真表明, 所设计的控制器能保证系统状态的收敛不依赖于初始条件, 并具有更快的收敛速率和更短的收敛时间以及良好的鲁棒性。

为提高四旋翼无人机对目标跟踪的动态性能和精度, 结合图像视觉伺服(IBVS)提出一种新型非奇异固定时间滑模控制方法, 实现了四旋翼无人机对速度指令和姿态指令的固定时间精确跟踪。首先通过透视投影建立虚拟图像平面, 利用图像矩推导出虚拟平面的四旋翼无人机动力学模型。在此基础上, 由固定时间稳定理论设计新型固定时间滑模面, 给出了精确的收敛时间估算方法, 分别结合四旋翼无人机动力学模型的位置环和姿态环设计了非奇异固定时间滑模控制器, 并基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。数值仿真表明, 所设计的控制器能避免无人机的超调问题并减小稳态误差, 具有良好的鲁棒性。

针对一类大初始状态含有匹配扰动的不确定非线性系统, 在传统终端滑模面的终端吸引子前加入可调指数的非线性项, 提出一种新型非奇异固定时间滑模控制方法。传统的线性滑模、终端滑模、快速终端滑模均是这种新型滑模的特例; 当新型滑模面的幂指数N>1时, 新型滑模是固定时间收敛的, 并且收敛时间具有与初始状态无关的上界。进一步证明所提方案优于快速终端滑模, 并分析了参数选择对收敛特性的影响并总结规律。基于李雅普诺夫稳定理论, 构造一种适用于二阶非线性系统的非奇异固定时间滑模控制器, 证明了控制误差在固定时间内收敛于一任意小闭球内。进行四旋翼飞行器姿态控制仿真验证了所提方法具有更快的收敛速度、更强的鲁棒性和更小的稳态误差。

针对自由漂浮空间机器人系统, 设计了一种全局逼近收敛控制器, 解决了存在初始状态误差及外界干扰条件下的系统鲁棒性问题。首先, 根据空间机器人系统的状态空间方程设计控制器, 该控制器将控制输出特性与控制增益隔离开, 对系统模型的不确定性及外界干扰具有强鲁棒性。另外, 该控制方法避免了类似反演控制方法带来的复杂度高的问题。其次, 从理论上证明了该控制器能够实现机器人系统对期望路径的跟踪。最后, 针对单臂六自由度空间机器人系统, 分别使用该控制器与鲁棒补偿控制器进行了仿真分析。仿真结果证实了该控制器的强鲁棒性。