1 南京理工大学 机械工程学院，江苏南京20094
2 吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林长春13005
3 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240
三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo， FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10~100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。
快速刀具伺服 轨迹跟踪控制 陷波滤波器 前馈解耦补偿 动态迟滞模型 fast tool servo trajectory tracking control notch filter feed-forward decoupling compensation dynamic hysteresis model 光学 精密工程
2023, 31(15): 2236
1 徐州徐工汽车制造有限公司, 江苏 徐州 221000
2 江苏科技大学电子信息学院, 江苏 镇江 212000
为解决欠驱动AUV轨迹跟踪中系统收敛速度慢、易发散、模型不确定等问题, 提出了一种有限时间和降阶状态观测器双环闭合的运动控制策略。根据时间尺度原理分为位置控制环和姿态控制环, 位置控制环使用有限时间控制方法来加快位置量的收敛速度; 姿态控制环采用基于降阶扩张状态观测器的动态积分滑模来实现对姿态角的快速收敛和补偿混合不确定项。在三维仿真环境下模拟AUV轨迹跟踪的控制效果, 通过仿真结果可看出: 所设计的控制器在收敛速度、控制精度、鲁棒性及跟踪效果方面均高于常见的轨迹跟踪器, 能较好地满足欠驱动AUV的轨迹跟踪控制需要。
轨迹跟踪控制 有限时间控制 降阶扩张状态观测器 AUV AUV trajectory tracking control limited time control reduced-order extended state observer
中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川绵阳 621999
针对具有非对角惯性矩阵和阻尼矩阵的欠驱动无人水面艇(USV)进行了轨迹跟踪控制方法的研究, 提出了基于广义动态逆和滑模变结构理论的控制器, 实现了闭环系统全局渐近稳定。同时, 通过引入动态尺度逆克服动态广义逆可能导致的系统奇异, 通过扰动零投影矩阵来避免零投影矩阵的不可逆问题。最后, 通过 Matlab/Simulink仿真证明了本文方法的有效性。
欠驱动无人艇 轨迹跟踪控制 广义动力学逆 滑模面 underactuated unmanned surface vehicles trajectory tracking control generalized dynamic inversion sliding mode 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(11): 1130
针对含有建模不确定性与外界扰动下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题, 提出了一种结合连续快速非奇异终端滑模控制与线性自抗扰控制的控制策略。用Newton-Euler方程获得四旋翼飞行器的动力学模型, 将其分成内环与外环两个控制回路: 内环采用连续快速非奇异终端滑模控制来实现姿态角的快速收敛; 外环采用线性自抗扰控制来抑制外界干扰和实现高精度轨迹跟踪。同时, 分析了内外环控制器的稳定性。最后, 通过仿真算例与飞行试验验证了所提控制策略的有效性。结果表明, 所提方法响应速度快, 具有较好的鲁棒性、较高的控制精度与较强的抗干扰能力, 能够满足四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的需求。
四旋翼飞行器 轨迹跟踪控制 终端滑模控制 线性自抗扰控制 飞行试验 quadrotor aircraft trajectory tracking control terminal sliding mode control linear active disturbance rejection control flight experiment
1 江苏理工学院机械工程学院, 江苏 常州 213001
2 安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室, 安徽 淮南 232002
3 江苏优埃唯智能科技有限公司, 江苏 常州 213001
面向空中作业时的大续航需求, 系留式无人机是将旋翼飞行器与地面系泊单元相结合所提出的新型飞行器。实际作业中, 系留缆绳的收放会引起无人机动力学性能变化, 进而影响其轨迹跟踪控制; 同时, 由系统未建模特性与阵风干扰组成的集总干扰也将影响轨迹跟踪控制效果。针对上述问题, 提出了一种基于扰动观测器的自适应滑模鲁棒控制算法。首先, 引入悬链线理论描述系留缆绳的拉力变化, 采用牛顿-欧拉方程建立整个系统的动力学模型。其次, 在Lyapunov定理的框架下, 利用扰动观测器来估计与补偿集总干扰, 设计自适应滑模控制律来保证系统跟踪误差收敛。最后, 通过仿真算例和试验分析, 验证了本文控制策略的有效性, 结果表明: 所提控制算法比终端滑模控制算法具有更高的轨迹跟踪精度, 能够帮助系留式无人机跟踪复杂轨迹。
系留式无人机 轨迹跟踪控制 扰动观测器 自适应滑模控制 集总干扰 tethered UAV trajectory tracking control disturbance observer adaptive sliding mode control lumped disturbances
1 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院, 北京 100124
2 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
高加速度运动系统中非线性摩擦的建模补偿对提高轨迹跟踪性能至关重要。本文针对传统参数化模型难以准确预估高加速度运动启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦的问题, 在传统模型结构的基础上, 结合扩展Stribeck模型, 提出一种扩展参数化模型, 模型参数的训练和学习样本源于高精度迭代学习控制获取的有限轨迹下非线性摩擦前馈补偿数据, 并采用Levenberg-Marquardt算法拟合模型参数。最后, 在音圈电机驱动的高加速定位平台上针对不同运动轨迹进行了实验验证。结果表明, 该方法能够克服传统参数化模型难以消除高加速度启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦对轨迹跟踪精度的影响; 且与迭代学习控制的轨迹跟踪精度接近, 有效避免了迭代学习泛化性差等问题, 可实现工作空间下任意轨迹的摩擦补偿。
高加速度运动 非线性摩擦模型 前馈补偿 轨迹跟踪控制 high acceleration motion nonlinear friction model feed-forward compensation trajectory tracking control
1 空军第一航空学院, 河南 信阳464000
2 空军工程大学航空航天工程学院, 西安710038
3 中国人民解放军94565部队机务大队, 安徽 蚌埠233000
针对无人作战飞机自主攻击过程高精度、大迎角以及飞行状态快速变化等飞行控制需求, 采用反步控制设计非线性控制器。依据飞行器六自由度方程建立非线性控制模型, 利用奇异摄动原理将速度控制器和姿态控制器设计分离开, 分别利用反步控制原理设计控制器, 采用一阶指令滤波器克服传统反步法带来的“微分爆炸”问题, 最后依据Lyapunov稳定原理证明了控制系统跟踪误差渐近趋近于零。仿真结果表明, 非线性控制器在输入参考信号发生剧烈变化时仍能够实现高精度跟踪控制。
无人作战飞机 轨迹跟踪控制 反步飞行控制 自主攻击 unmanned combat aerial vehicle (UCAV) trajectory tracking control backstepping flight control autonomous attacking
