双馈风力发电机直流并网系统自适应滑模控制研究

这是一篇关于双馈异步发电机,滑模控制,最大功率点跟踪,有限时间控制,固定时间控制的论文, 主要内容为双馈型异步发电机(DFIG)是目前变速恒频系统领域的主流机型之一。随着远距离输送电能的要求逐渐增加,能够直接实现直流并网的风电系统成为风电领域的研究热点,其中双变流器DFIG系统能够有效且低成本的实现风电场直流并网。但由于受到空气动力学和内部结构的影响,系统存在的非线性、强耦合特性使得传统控制方案的运行效果不理想。因此,本文围绕双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制问题展开研究,所做的创新工作如下:(1)针对双变流器DFIG系统最大功率点跟踪问题,提出了一种基于反馈线性化的自适应滑模控制策略。首先,系统存在的非线性、强耦合特性会导致系统控制器设计难度增加,所以本文采用输入-输出反馈线性化算法对系统进行解耦,在反馈线性化的基础上设计滑模控制器,实现双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制,并对滑模控制器中存在的不连续项设计自适应可变参数,来削弱高频抖振对系统运行带来的负面影响;然后利用李雅普诺夫函数证明系统稳定性;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。(2)针对双变流器DFIG系统受到外部环境变化、未建模动态、参数摄动等影响的问题,提出了一种基于有限时间扰动观测器的滑模控制策略。本章节首先对双变流器DFIG系统数学模型进行整理,得到一个包含未知扰动的系统模型,并设计有限时间扰动观测器对系统受到的未知扰动进行估计,在此基础上,对反馈线性化之后的DFIG系统提出一种有限时间扰动观测器和滑模控制相结合的控制策略(FLC-DOSMC),用于实现系统最大功率点跟踪控制;然后利用李雅普诺夫稳定性理论进行严格的有限时间稳定性证明;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。(3)有限时间控制下系统状态的收敛时间依赖于系统初始值,如果风电系统初始状态远离期望的状态,那么收敛时间必然较大。为了提高系统的响应速度,本章节将固定时间控制理论应用到控制系统设计中,提出了一种固定时间滑模控制策略(FLC-FTSMC),用于实现双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制;然后利用李雅普诺夫稳定性理论进行严格的固定时间稳定性证明;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。

多无人水面勘探船编队控制方法研究

这是一篇关于无人水面勘探船,路径跟踪,编队控制,模糊逻辑,有限时间控制的论文, 主要内容为海洋蕴含丰富的油气资源和矿产资源,可解决人类面临的资源匮乏问题。伴随全球工业技术的飞速提高,人们对海洋的探索成为具有实际意义的重要课题。无人水面勘探船是海洋油气勘探的专用船舶,在资源勘探中享有不可或缺的地位。多无人水面勘探船联合作业可以有效避免单无人水面勘探船在执行任务时带来的载荷低、作业效率低、容错性差等缺陷。欠驱动无人水面勘探船的运动控制研究具有更强的挑战。本文主要研究内容如下:(1)针对模型不确定、未知时变海流、未知时变环境干扰、输入饱和的欠驱动无人水面勘探船,设计了基于改进视线法(Line-of-sight,LOS)制导律(Finite-time Predictor Adaptive Integral LOS,FPAILOS)的有限时间动态面路径跟踪控制策略。考虑未知时变漂角和时变海流,通过结合自适应和预估器技术,设计了基于预估器的有限时间视线制导律(FPAILOS),实现了快速地补偿时变海流对无人水面勘探船路径跟踪造成的误差,提高了路径跟踪控制的精确性。采用有限时间动态面控制方案,设计了基于改进模糊逻辑的纵向推力控制律和艏向转矩控制律,实现了无人水面勘探船对期望路径的跟踪。针对模型不确定和未知时变外部干扰,设计了基于低频学习的有限时间模糊逻辑估计器,实现了对时变扰动和模型不确定项的有效补偿。为解决输入饱和问题,引入有限时间辅助动态系统方法,实现了控制系统的有限时间收敛。通过Lyapunov稳定性理论可以证明所提出的控制方案可使路径跟踪误差在有限时间内收敛到零附近的任意小范围内。(2)在单艘无人水面勘探船路径跟踪的基础上,对多无人水面勘探船编队控制进行了研究。采用领航-跟随控制策略,领航船延一条参数化路径移动,跟随船与领航船以期望的距离和角度同步运动,共同完成编队作业任务。该编队策略具有设计简单、适用范围广等优势。考虑领航者与跟随者之间的编队误差受限问题,引入了时变障碍Lyapunov函数(Time-varying Barrier Lyapunov Function,TBLF),实现了将编队距离误差限制在规定范围内。采用反步法,设计出纵向速度控制律和艏向角速度控制律,实现了领航船与跟随船的编队控制。考虑对虚拟控制律求导会增加计算量,引入了动态面技术减少计算量,避免造成“参数爆炸”。引入自适应模糊逻辑系统估计模型不确定项。考虑输入受限,采用辅助系统消除输入饱和值对控制品质的影响。通过Lyapunov理论可以证明整个闭环系统的信号满足一致最终有界。(3)考虑模型不确定、执行器饱和、未知时变环境干扰,在单艘无人水面勘探船路径跟踪的基础上,研究了多无人水面勘探船事件触发协同编队控制问题。根据领航者的位置信息,通过有限时间理论与动态面技术结合,设计了编队控制器的艏向转矩控制律和纵向推力控制律,实现了跟随者与领航者以固定的距离和角度执行编队任务。考虑执行器饱和现象,应用有限时间辅助系统补偿执行器饱和,实现控制系统的快速收敛。结合预估器技术和模糊逻辑系统,提出了新型的基于有限时间的预估器模糊逻辑,实现了对不确定模型以及未知时变环境干扰的估计,该方案具有待设计参数少、瞬态性能好、收敛速度快的优势。最后,引入了固定阈值事件触发和时变阈值触发机制,极大地降低了控制器的更新频率和机械损耗。采用Lyapunov稳定性理论分析,证明编队距离误差和角度误差在有限时间内可以收敛到零附近的任意小范围内。

不确定非线性系统的反步自适应鲁棒输出反馈控制

这是一篇关于严格反馈非线性系统,障碍Lyapunov函数,动态面控制,有限时间控制的论文, 主要内容为不确定非线性系统大范围地应用在工业制造和国防建设等实际生产中,例如船舶、飞行器、机械臂、液压系统等。为满足工程需要,被控系统总是期望在达到稳定性的基础上拥有更快的收敛速度、更高的跟踪精度或其它更优的性能指标。然而,由于环境干扰、建模误差、执行器故障、物理特性等各种因素的影响,被控系统不可避免地存在参数不确定性、扰动或约束等问题,对系统性能造成极大地影响。因此,研究不确定非线性系统的干扰抑制等控制问题具有非常重要的理论意义和应用前景。本课题以参数不确定性、外部扰动和约束等不确定性因素对严格反馈非线性系统的影响为切入点,结合级联扩展状态观测器、动态面控制技术、障碍Lyapunov函数、扰动观测器、有限时间命令滤波器等方法,研究自适应鲁棒输出反馈控制策略,保证系统的稳定性和鲁棒性,实现控制策略对系统的跟踪性能。研究内容主要包括以下三个方面:(1)研究外部扰动和参数不确定性对严格反馈非线性系统的影响机理,在没有速度信息测量的条件下,构造一组级联扩展状态观测器进行扰动估计,提出抑制未知外部扰动的自适应鲁棒输出反馈控制策略。通过在级联扩展状态观测器引入参数自适应设计,补偿系统参数不确定性,同时产生连续估计信号避免输入抖振现象。进一步地,为了避免反步技术中虚拟控制律的反复求导引起的“微分爆炸”,通过利用递归滑模动态面方法,简化控制算法设计的复杂度,提高系统鲁棒性。其次,在控制算法中采用非线性增益函数代替线性增益函数改善系统性能,同时能有效补偿高增益引起的输入饱和限制。最后通过Lyapunov稳定性理论和仿真实验对所提控制方法的有效性进行分析验证,证明了上述控制方法能够保证闭环系统的稳定性,并具有良好的跟踪性能和抗干扰能力。(2)研究了具有输出约束和状态约束不确定非线性系统的反步自适应鲁棒输出反馈控制策略,解决复杂不确定性对系统性能的负面影响,实现约束条件下非线性系统的跟踪控制性能。将障碍Lyapunov函数和动态面控制技术结合设计的反步控制框架,消除了虚拟控制律的重复求导问题,同时解决了约束限制。为了缓解传统滤波器增益选择的保守性,在控制算法中引入自适应增益非线性滤波器。另外,利用扰动观测器对扰动进行估计,参数自适应律的设计减轻不确定因素对系统性能的影响。通过Lyapunov稳定性理论及仿真实验论证,提出的控制策略能够确保输出约束和状态约束的有界性使闭环系统的跟踪误差收敛到零值的很小邻域,且所有信号最终已知有界稳定,确保了显著的跟踪控制性能。(3)研究了不确定非线性系统的有限时间反步自适应鲁棒输出反馈控制策略,实现有限时间跟踪控制。考虑到控制系统的瞬态性能,利用预设性能技术将跟踪误差信号收敛到规定的小紧集,使收敛速度和稳态误差满足预先规定的性能界限。其次,为了保证虚拟信号导数的快速逼近,削弱抖振现象,基于有限时间命令滤波器设计了反步自适应控制算法。对对于滤波器产生的滤波误差,引入误差补偿机制,快速消除滤波误差的影响。将扰动观测器运用到跟踪误差补偿设计中,降低扰动对系统性能的影响。基于Lyapunov稳定性条件推导出自适应参数的更新律,实现系统的一致有界稳定。通过仿真实验验证,所提出的有限时间控制策略具有跟踪精度高、收敛速度快、抗干扰能力强等突出优势。

双馈风力发电机直流并网系统自适应滑模控制研究

这是一篇关于双馈异步发电机,滑模控制,最大功率点跟踪,有限时间控制,固定时间控制的论文, 主要内容为双馈型异步发电机(DFIG)是目前变速恒频系统领域的主流机型之一。随着远距离输送电能的要求逐渐增加,能够直接实现直流并网的风电系统成为风电领域的研究热点,其中双变流器DFIG系统能够有效且低成本的实现风电场直流并网。但由于受到空气动力学和内部结构的影响,系统存在的非线性、强耦合特性使得传统控制方案的运行效果不理想。因此,本文围绕双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制问题展开研究,所做的创新工作如下:(1)针对双变流器DFIG系统最大功率点跟踪问题,提出了一种基于反馈线性化的自适应滑模控制策略。首先,系统存在的非线性、强耦合特性会导致系统控制器设计难度增加,所以本文采用输入-输出反馈线性化算法对系统进行解耦,在反馈线性化的基础上设计滑模控制器,实现双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制,并对滑模控制器中存在的不连续项设计自适应可变参数,来削弱高频抖振对系统运行带来的负面影响;然后利用李雅普诺夫函数证明系统稳定性;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。(2)针对双变流器DFIG系统受到外部环境变化、未建模动态、参数摄动等影响的问题,提出了一种基于有限时间扰动观测器的滑模控制策略。本章节首先对双变流器DFIG系统数学模型进行整理,得到一个包含未知扰动的系统模型,并设计有限时间扰动观测器对系统受到的未知扰动进行估计,在此基础上,对反馈线性化之后的DFIG系统提出一种有限时间扰动观测器和滑模控制相结合的控制策略(FLC-DOSMC),用于实现系统最大功率点跟踪控制;然后利用李雅普诺夫稳定性理论进行严格的有限时间稳定性证明;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。(3)有限时间控制下系统状态的收敛时间依赖于系统初始值,如果风电系统初始状态远离期望的状态,那么收敛时间必然较大。为了提高系统的响应速度,本章节将固定时间控制理论应用到控制系统设计中,提出了一种固定时间滑模控制策略(FLC-FTSMC),用于实现双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制;然后利用李雅普诺夫稳定性理论进行严格的固定时间稳定性证明;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。

双馈风力发电机直流并网系统自适应滑模控制研究

这是一篇关于双馈异步发电机,滑模控制,最大功率点跟踪,有限时间控制,固定时间控制的论文, 主要内容为双馈型异步发电机(DFIG)是目前变速恒频系统领域的主流机型之一。随着远距离输送电能的要求逐渐增加,能够直接实现直流并网的风电系统成为风电领域的研究热点,其中双变流器DFIG系统能够有效且低成本的实现风电场直流并网。但由于受到空气动力学和内部结构的影响,系统存在的非线性、强耦合特性使得传统控制方案的运行效果不理想。因此,本文围绕双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制问题展开研究,所做的创新工作如下:(1)针对双变流器DFIG系统最大功率点跟踪问题,提出了一种基于反馈线性化的自适应滑模控制策略。首先,系统存在的非线性、强耦合特性会导致系统控制器设计难度增加,所以本文采用输入-输出反馈线性化算法对系统进行解耦,在反馈线性化的基础上设计滑模控制器,实现双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制,并对滑模控制器中存在的不连续项设计自适应可变参数,来削弱高频抖振对系统运行带来的负面影响;然后利用李雅普诺夫函数证明系统稳定性;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。(2)针对双变流器DFIG系统受到外部环境变化、未建模动态、参数摄动等影响的问题,提出了一种基于有限时间扰动观测器的滑模控制策略。本章节首先对双变流器DFIG系统数学模型进行整理,得到一个包含未知扰动的系统模型,并设计有限时间扰动观测器对系统受到的未知扰动进行估计,在此基础上,对反馈线性化之后的DFIG系统提出一种有限时间扰动观测器和滑模控制相结合的控制策略(FLC-DOSMC),用于实现系统最大功率点跟踪控制;然后利用李雅普诺夫稳定性理论进行严格的有限时间稳定性证明;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。(3)有限时间控制下系统状态的收敛时间依赖于系统初始值,如果风电系统初始状态远离期望的状态,那么收敛时间必然较大。为了提高系统的响应速度,本章节将固定时间控制理论应用到控制系统设计中,提出了一种固定时间滑模控制策略(FLC-FTSMC),用于实现双变流器DFIG系统最大功率点跟踪控制;然后利用李雅普诺夫稳定性理论进行严格的固定时间稳定性证明;最后通过仿真验证了本章节所提控制策略的有效性。

不确定非线性系统的反步自适应鲁棒输出反馈控制

这是一篇关于严格反馈非线性系统,障碍Lyapunov函数,动态面控制,有限时间控制的论文, 主要内容为不确定非线性系统大范围地应用在工业制造和国防建设等实际生产中,例如船舶、飞行器、机械臂、液压系统等。为满足工程需要,被控系统总是期望在达到稳定性的基础上拥有更快的收敛速度、更高的跟踪精度或其它更优的性能指标。然而,由于环境干扰、建模误差、执行器故障、物理特性等各种因素的影响,被控系统不可避免地存在参数不确定性、扰动或约束等问题,对系统性能造成极大地影响。因此,研究不确定非线性系统的干扰抑制等控制问题具有非常重要的理论意义和应用前景。本课题以参数不确定性、外部扰动和约束等不确定性因素对严格反馈非线性系统的影响为切入点,结合级联扩展状态观测器、动态面控制技术、障碍Lyapunov函数、扰动观测器、有限时间命令滤波器等方法,研究自适应鲁棒输出反馈控制策略,保证系统的稳定性和鲁棒性,实现控制策略对系统的跟踪性能。研究内容主要包括以下三个方面:(1)研究外部扰动和参数不确定性对严格反馈非线性系统的影响机理,在没有速度信息测量的条件下,构造一组级联扩展状态观测器进行扰动估计,提出抑制未知外部扰动的自适应鲁棒输出反馈控制策略。通过在级联扩展状态观测器引入参数自适应设计,补偿系统参数不确定性,同时产生连续估计信号避免输入抖振现象。进一步地,为了避免反步技术中虚拟控制律的反复求导引起的“微分爆炸”,通过利用递归滑模动态面方法,简化控制算法设计的复杂度,提高系统鲁棒性。其次,在控制算法中采用非线性增益函数代替线性增益函数改善系统性能,同时能有效补偿高增益引起的输入饱和限制。最后通过Lyapunov稳定性理论和仿真实验对所提控制方法的有效性进行分析验证,证明了上述控制方法能够保证闭环系统的稳定性,并具有良好的跟踪性能和抗干扰能力。(2)研究了具有输出约束和状态约束不确定非线性系统的反步自适应鲁棒输出反馈控制策略,解决复杂不确定性对系统性能的负面影响,实现约束条件下非线性系统的跟踪控制性能。将障碍Lyapunov函数和动态面控制技术结合设计的反步控制框架,消除了虚拟控制律的重复求导问题,同时解决了约束限制。为了缓解传统滤波器增益选择的保守性,在控制算法中引入自适应增益非线性滤波器。另外,利用扰动观测器对扰动进行估计,参数自适应律的设计减轻不确定因素对系统性能的影响。通过Lyapunov稳定性理论及仿真实验论证,提出的控制策略能够确保输出约束和状态约束的有界性使闭环系统的跟踪误差收敛到零值的很小邻域,且所有信号最终已知有界稳定,确保了显著的跟踪控制性能。(3)研究了不确定非线性系统的有限时间反步自适应鲁棒输出反馈控制策略,实现有限时间跟踪控制。考虑到控制系统的瞬态性能,利用预设性能技术将跟踪误差信号收敛到规定的小紧集,使收敛速度和稳态误差满足预先规定的性能界限。其次,为了保证虚拟信号导数的快速逼近,削弱抖振现象,基于有限时间命令滤波器设计了反步自适应控制算法。对对于滤波器产生的滤波误差,引入误差补偿机制,快速消除滤波误差的影响。将扰动观测器运用到跟踪误差补偿设计中,降低扰动对系统性能的影响。基于Lyapunov稳定性条件推导出自适应参数的更新律,实现系统的一致有界稳定。通过仿真实验验证,所提出的有限时间控制策略具有跟踪精度高、收敛速度快、抗干扰能力强等突出优势。

带非线性负载的直流变换器自适应控制方法研究

这是一篇关于直流变换器,恒功率负载,自适应控制,有限时间控制,无电流传感控制的论文, 主要内容为随着新能源的飞速发展,直流微电网的应用与研究受到了广泛的关注。直流变换器是直流微电网的重要组成部分,用于能源与母线、母线与负载之间,以调节并稳定输出电压,其工作性能会直接影响直流微电网的稳定性。负载所引入的非线性以及负阻抗特性、多变的工作环境所引入的不确定性是影响其工作性能的重要因素。对此,本文考虑了参数摄动、负载扰动、输入电压波动等不确定性,开展了针对带非线性负载直流变换器的自适应控制研究,具体内容如下:(1)针对带恒功率负载的升压变换器的控制问题,提出了一种自适应有限时间控制器。首先,借助反馈线性化技术,将该升压变换器系统转化为线性系统,解决了升压变换器的非最小相位特性以及恒功率负载的非线性特性。其次,针对所得线性系统设计了非奇异终端滑模控制器。然后,设计有限时间观测器来估计输入电压,通过将观测值引入上述控制器中得到了自适应有限时间控制器。最后,给出了闭环系统有限时间稳定性的证明,并进行了仿真验证。所提出的控制器可以有效抑制输入电压扰动对系统的负面影响。(2)针对带未知恒功率负载的直流降压变换器的无电流传感控制问题,设计了一种基于降阶广义参数估计的观测器。该观测器基于动态回归扩展和混合技术将状态观测转化为参数估计问题,可以同时重构系统的不可测电感电流和未知功率负载,并能够保证观测器的有限时间收敛。然后,将观测项引入现有的全信息控制器中,实现了自适应无电流传感控制方案。最后,通过实验评估了所设计控制器的性能。(3)针对带ZIP负载(电阻负载“Z”、恒电流负载“I”和恒功率负载“P”的并联组合)直流降压变换器的控制问题,设计了一种自适应能量整形控制器。首先,利用能量整形技术,在端口哈密顿系统的框架下设计了状态反馈控制器,该控制器的实现不需要ZIP负载信息。然后,基于浸入和不变性理论,设计了输入电压观测器,通过将观测输出代入上述控制器,得到了自适应能量整形控制方案。最后,进行了严格的闭环系统稳定性分析,并给出了仿真和实验结果以评估所设计控制器的性能。该控制方案对负载、输入电压等参数的摄动问题具有较好的鲁棒性。

非线性系统的预设性能有限时间有界H∞控制研究

这是一篇关于非线性系统,未知初始跟踪条件,预设性能控制,有限时间控制,有界H∞控制的论文, 主要内容为非线性系统广泛存在于实际生产系统中,如机械、冶金、航空航天等工程系统。近年来,对非线性系统的控制研究引起了众多学者的关注。预设性能控制方法能同时保证系统的稳态性能和动态性能,但经典预设性能控制设计方法过于依赖被控变量的初始条件,此方法对于未知初始条件被控系统的控制设计会受到限制。因此,本文针对一类具有外部扰动的非线性系统,采用了一种与初始跟踪条件无关的预设性能控制新方法,研究了其在初始跟踪条件未知情况下的预设性能有限时间有界H∞跟踪控制问题。本文的主要研究内容如下:1.针对一类具有外部扰动的非线性系统,结合backstepping方法、预设性能控制方法和有限时间控制理论,研究了一种与初始跟踪条件无关的预设性能有限时间跟踪控制方法。为了实现这种预设性能控制设计,采用非线性映射和一种新的误差转换思想,设计了预设性能函数,从而确保被约束变量初始条件与预设性能函数的设计无关,解决了预设性能控制依赖于系统被约束量初始条件的问题。另外,系统的被约束变量进入规定约束区域的时间是可以任意设置的。基于这种预设性能控制设计方法,设计了系统的预设性能有限时间跟踪控制器。该控制器不仅能保证系统的稳态性能,同时能保证系统在有界稳定条件下获得良好的动态性能,而且,系统的被约束变量在给定的停息时间内被预设性能函数约束在预先给定的区域里,系统中的所有信号都是有界稳定的。最后给出的仿真实例验证了所提控制策略的有效性。2.研究了一类具有外部扰动的非线性系统的自适应预设性能有限时间有界H∞跟踪控制问题。但是,一般的H∞控制方法要求系统必须是渐近稳定的,因此,本章针对具有外部干扰的非线性系统,结合预设有限时间控制,提出了一种自适应预设有限时间有界H∞控制方法,该方法在设计H∞控制器时只要求系统达到有界稳定的条件。在控制设计中,用径向基神经网络处理打包的未知非线性函数,通过数学处理方法,解决了设计有限时间控制器时出现的奇点问题,确保了有限时间控制设计的合理性。同时,提出一个新的误差转换函数,简化了有界H∞控制的设计过程。所提出的控制方法保证系统对外部干扰具有良好的抑制性能,从而使系统获得良好的跟踪性能,并且系统中所有的信号都是有界稳定的。通过仿真验证了所提控制方法的有效性和优越性。

考虑输入饱和的农机路径跟踪控制系统研究

这是一篇关于无人驾驶农机,路径跟踪,有限时间控制,饱和控制器,扰动观测器的论文, 主要内容为随着社会的发展,农业作为支撑国民经济的支柱产业和基础产业,势必需要与时俱进。2018年中共中央国务院印发的《乡村振兴战略规划(2018-2022年)》再次提出要精准施策推进乡村振兴战略,推进农业现代化、促进农业振兴,积极推进精准农业发展。精准农业的目标是实现农业生产效率的提高,而无人驾驶农机的普及和应用极大地提高了作业效率,并为我国步入精准农业社会开辟了道路。特别的,路径跟踪技术是实现无人驾驶农机自主行驶和智能作业的重要技术手段之一,对农机的智能化、精准化和信息化发展具有重要意义。如今势头正盛的路径跟踪技术的发展为无人农机自动驾驶系统注入了新的活力,作为农机自动驾驶系统的关键之一,其具备减少人力消耗,提高生产效率的优势。然而,国内无人农机路径跟踪控制技术开发起步较晚,其控制效率以及稳定性亟待提升。目前,农机路径跟踪控制系统研究仍存在一些问题,本文针对这些问题,将开展如下研究:(1)针对农机路径跟踪控制系统展开研究,基于车辆运动学理论,对涉及车身状态信息获取和前轮转向控制等模块进行数学建模。为实现更精确的路径跟踪控制,对实际控制需求进行分析,并对系统做出相应的简化设计。首先分别以大地和农机车体为中心建立坐标系,在所建立的坐标系下,将农机车辆本身简化为二轮车模型(自行车模型),分别以前轮和后轮为中心,引出控制量前轮转向角、行驶速度以及农机航向角,根据前后轮的几何关系,得到农机控制系统的运动学模型。(2)基于农机运动学模型,建立农机路径跟踪偏差模型。考虑到农机路径跟踪控制的实际需求,重点关注农机本身行驶轨迹与参考路径间的偏差,选择横向偏差和航向偏差为状态变量,参考路径以曲率形式表示,建立以偏差为状态的农机路径跟踪偏差模型。此外为了更为准确地描述实际情况下农机作业环境的复杂程度,模拟农田环境的不确定性因素,为系统引入随时间变化的扰动量,得到扰动下的农机路径跟踪偏差模型。(3)针对农机控制系统中执行器饱和问题,为其设计嵌套饱和控制器。首先,为了保证系统的局部稳定性,设计一个能够在区域内稳定系统的线性控制器;其次,为了解决实际控制过程中,饱和函数的饱和度可能随着时间变化而非递增的问题,将饱和函数与线性控制器组合,构造一个嵌套饱和控制器。相较于传统的饱和控制器,所设计的嵌套饱和控制器饱和度的选取更加灵活,控制器的稳定性和鲁棒性更好;进一步,将滑模观测器和有界控制器结合起来进行复合控制,通过将滑模观测器与有界控制器结合,使控制系统对外部干扰具有更好的适应能力。(4)基于线性系统设计的嵌套饱和算法无法完全适用于具有非线性特征的实际系统。为了更契合非线性特性的农机路径跟踪控制系统,设计了一种基于非线性系统的有限时间嵌套饱和控制算法。采用两步法设计的有限时间嵌套饱和算法能够显著缩短系统的响应时间和提高抗干扰能力,提高系统的稳态性能。通过仿真结果可以看出,基于非线性系统设计的有限时间嵌套饱和控制算法具有更好的动态性能和抗扰能力,相比于嵌套饱和控制算法有着更明显的优势。(5)基于有限时间嵌套饱和控制系统的设计,验证农机路径跟踪控制系统在实际工程应用中的有效性。首先,介绍了云乐NWD01无人车试验平台,给出具体的软硬件设计方案;其次,将路径跟踪系统算法通过编程开发应用到云乐无人驾驶系统中,根据实际控制需求对其导航定位、航姿勘测和线控转向系统进行改造,搭建完整的实车试验平台;最后,选择试验场地,模拟田间环境进行试验。结果表明试验车辆在较短的时间内能够完成跟踪上线过程,且线上路径跟踪横向偏差均能保持在一定范围内,说明了本文所研究的控制算法能够满足农机田间作业下的路径跟踪控制精度要求,符合现代精准农业中无人农机自动驾驶控制系统标准。