基于快速终端滑模的并联式节能平台复合前馈稳定控制策略

doi:10.3901/JME.2025.07.284

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (7): 284-293.doi: 10.3901/JME.2025.07.284

扫码分享

基于快速终端滑模的并联式节能平台复合前馈稳定控制策略

杨少坤^1,2, 王军政^1,2, 沈伟^1,2, 刘冬琛^1,2, 林乾烨^1,2

1. 北京理工大学伺服运动系统驱动与控制工信部重点实验室北京 100081;
2. 北京理工大学自动化学院北京 100081

收稿日期:2024-05-25 修回日期:2024-12-26 出版日期:2025-04-05 发布日期:2025-05-12
作者简介:杨少坤，男，2000年出生，硕士研究生。主要研究方向为机器人伺服运动驱动与控制。E-mail：yangsk975@163.com
王军政(通信作者)，男，1964年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为伺服运动驱动与控制、机器人控制和负载模拟与静动态试验。E-mail：wangjz@bit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62173038,62303056)和中国博士后科学基金(2023M730249)资助项目。

Compound Feedforward Stable Control Strategy of Energy-saving Parallel Platform Based on Fast Terminal Sliding Mode Control

YANG Shaokun^1,2, WANG Junzheng^1,2, SHEN Wei^1,2, LIU Dongchen^1,2, LIN Qianye^1,2

1. Key Laboratory of Servo Motion System Drive and Control of the Ministry of Industry and Information Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081;
2. School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081

Received:2024-05-25 Revised:2024-12-26 Online:2025-04-05 Published:2025-05-12

摘要/Abstract

摘要： 针对并联式三自由度稳定平台姿态稳定控制的系统非线性、外部姿态扰动及系统滞后等问题，提出一种结合快速终端滑模控制(Fast terminal sliding mode control, FTSMC)与复合前馈控制的平台稳定控制策略。快速终端滑模控制方法提高电动缸位置跟踪时的抗扰动能力及跟踪精度，复合前馈控制策略在平台运动学模型反馈控制基础上引入了前馈控制策略，可有效提高系统的响应速度，补偿平台检测环境扰动及稳定控制等环节引起的滞后。针对高负载工作时高能耗的问题引入了气平衡结构，提高平台负载能力，节约能源，并在滑模控制策略中对气缸扰动进行相应补偿。提出的控制策略进行了仿真及实物平台验证，结果表明提出的控制策略最高环境扰动衰减量可达92.1%，且具有更高的响应速度及稳定控制精度，气平衡结构节能效率最高达到38.8%。

关键词: 并联式稳定平台, 滑模控制, 前馈控制, 姿态稳定, 节能

Abstract: A control strategy is proposed to address issues such as nonlinearity, external attitude disturbances, and system lag in the attitude stability control of parallel three-degree-of-freedom stabilizing platforms. This strategy combines fast terminal sliding mode control (FTSMC) with composite feedforward control. The FTSMC method enhances disturbance rejection capability and tracking accuracy during electric cylinder position tracking, while the composite feedforward control strategy introduces feedforward control on the basis of feedback control of the platform's kinematic model, effectively improving system response speed and compensating for lag caused by platform detection environment disturbances and stability control. To address the high energy consumption issue during high-load operation, an air balance structure is introduced to enhance platform load capacity, save energy, and compensate for air cylinder disturbances in the sliding mode control strategy. The proposed control strategy is validated through simulation and physical platform experiments. The results indicate that the proposed control strategy achieves a maximum attenuation of environmental disturbances up to 92.1% and demonstrates higher response speed and stability control accuracy. The energy-saving efficiency of the air balance structure reaches up to 38.8%.

Key words: stability platform, sliding mode control, feedforward, attitude stabilization, energy saving

中图分类号:

TP242

杨少坤, 王军政, 沈伟, 刘冬琛, 林乾烨. 基于快速终端滑模的并联式节能平台复合前馈稳定控制策略[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 284-293.

YANG Shaokun, WANG Junzheng, SHEN Wei, LIU Dongchen, LIN Qianye. Compound Feedforward Stable Control Strategy of Energy-saving Parallel Platform Based on Fast Terminal Sliding Mode Control[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(7): 284-293.

导出引用管理器 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

链接本文: http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2025.07.284

http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2025/V61/I7/284

参考文献

[1] LEI Xusheng，FU Fa，WANG Rui. A high-performance compound control method for a three-axis inertially stabilized platform under multiple disturbances[J]. Symmetry，2022，14(9)：1848.
[2] 王力航，郭菲，卢文娟，等. 3UPS/S舰船稳定平台非惯性系动力学建模[J]. 机械工程学报，2020，56(1)：20-29. WANG Lihang，GUO Fei，LU Wenjuan，et al. Non-inertial system dynamic modeling of 3UPS/S ship stability platform[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(1)：20-29.
[3] SANCAK K V，BAYRAKTAROGLU Z Y. Observer-based friction compensation in heavy-duty parallel robot control[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2021，35：3693-3704.
[4] GENG Zhang. Study on the position control of electric cylinder based on fuzzy adaptive PID[J]. International Journal of Robotics and Automation，2020，35(3)：242-247.
[5] MADDAHI A，SEPEHRI N，KINSNER W. Fractional-order control of hydraulically powered actuators：controller design and experimental validation[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2019，24(2)：796-807.
[6] CUI Leilei，WANG Shuai，ZHANG Zhengyou，et al. Asymptotic trajectory tracking of autonomous bicycles via backstepping and optimal control[J]. IEEE Control Systems Letters，2021，6：1292-1297.
[7] FOTUHI M J，BINGUL Z. Fuzzy torque trajectory control of a rotary series elastic actuator with nonlinear friction compensation[J]. ISA transactions，2021，115：206-217.
[8] MOULAY E，LÉCHAPPÉ V，BERNUAU E，et al. Fixed-time sliding mode control with mismatched disturbances[J]. Automatica，2022，136：110009.
[9] SINEKLI E S，COBAN R. Dynamic integral sliding mode control of an electromechanical system[C]// 2017 International Conference on Mechanical，System and Control Engineering (ICMSC). IEEE，2017：160-164.
[10] FENG Yong，YU Xinghuo，HAN Fengling. On nonsingular terminal sliding-mode control of nonlinear systems[J]. Automatica，2013，49(6)：1715-1722.
[11] LI Jinghao，ZHANG Qingling. A linear switching function approach to sliding mode control and observation of descriptor systems[J]. Automatica，2018，95：112-121.
[12] NANDONG J. A unified design for feedback-feedforward control system to improve regulatory control performance[J]. International Journal of Control，Automation and Systems，2015，13：91-98.
[13] LU Jianshan，XIE Weidong，ZHOU Hongbo，et al. Design of a disturbance feedforward based grey predictive controller for stabilized platform system[J]. Journal of Grey System，2016，28(2)：64.
[14] GOSSELIN C，ANGELES J. A global performance index for the kinematic optimization of robotic manipulators[J]. 1991，113(3)：220-226.
[15] 刘玮，常思勤. 一种新型并联机器人的奇异性与工作空间研究[J]. 中国机械工程，2012，23(7)：786-790. LIU Wei，CHANG Siqin. Study on singularity and workspace of a novel parallel manipulator[J]. China Mechanical Engineering，2012，23(7)：786-790.
[16] SHARIATEE M，AKBARZADEH A. Optimum dynamic design of a Stewart platform with symmetric weight compensation system[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems，2021，103(4)：66
[17] QUAGLIA G，SORLI M. Air suspension dimensionless analysis and design procedure[J]. Vehicle System Dynamics，2001，35(6)：443-475.
[18] YU Shuanghe，YU Xinghuo. Robust global fast terminal sliding mode controller for rigid robotic manipulators[C]// 2002 IEEE Region 10 Conference on Computers，Communications，Control and Power Engineering. TENCOM'02. Proceedings. IEEE，2002，3：1335-1338.
[19] SHEN Yanjun，HUANG Yuehua. Uniformly observable and globally Lipschitzian nonlinear systems admit global finite-time observers[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，2009，54(11)：2621-2625.
[20] YA Tu，DU Jialu，LI Jian. PTESO based robust stabilization control and its application to 3-DOF ship-borne parallel platform[J]. Ocean Engineering，2023，284：115202.

基于快速终端滑模的并联式节能平台复合前馈稳定控制策略

Compound Feedforward Stable Control Strategy of Energy-saving Parallel Platform Based on Fast Terminal Sliding Mode Control

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	周健豪, 刘金宝, 赵万忠, 王春燕. 基于驾驶员转向力矩跟踪的电液复合转向系统助力控制策略研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 100-113.
[2]	胡奇轩, 徐涛, 徐彬, 孔刘令涵. 计及转向时延的车辆路径跟踪控制研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 489-500.
[3]	李涛涛, 凌亮, 刘建新. 独立轮对差速主动导向控制策略研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(2): 301-312.
[4]	王晓晶, 张瑜轩, 张洋. 基于改进趋近率的滑模变结构数字换向阀位置环控制仿真研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(24): 311-325.
[5]	黄海鸿, 陈黄祥, 李磊, 刘琼, 徐宇航, 杨晨, 李贵闪. 基于负载口独立的高速液压机四角调平系统与控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(24): 326-338.
[6]	朱鹏兴, 胡建军, 李嘉佳, 彭航, 王鑫. 考虑驾驶风格不确定性的插电式混合动力汽车个性化生态自适应巡航协同优化方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(18): 214-229.
[7]	李文锋, 张强, 钟志航, 郭龙. 考虑耦合特性的港口AGV横纵向分层控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(14): 383-396.
[8]	江志刚, 祝青森, 朱硕, 鄢威, 张华. 随机任务驱动下机床间歇状态的动态节能控制方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(11): 348-360.
[9]	刘俊, 刘宏勋, 朱嘉炜, 崔滔文, 陈无畏. 无人变胞车多构态分级优化设计及运动控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(10): 305-321.
[10]	姚静, 杨帅, 殷航, 王运昌, 王文静, 丘铭军. 基于阀芯位移软测量的数字阀智能驱动方法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 155-166.
[11]	段荣, 江志刚, 张华, 龚青山, 李明遥. 机电装备全工作域能效运维的难点与挑战[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 354-364.
[12]	卢超, 田禾子, 李新宇, 张彪. 基于多目标海鸥算法的分布式焊接节能调度[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 192-203.
[13]	郭景华, 李文昌, 王班, 王靖瑶. 基于深度强化学习的网联混合动力汽车队列控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 262-271.
[14]	匡增彧, 谢晖, 任莹晖, 卓晓军, 刘洋, 易峦. 退役产品性能损耗分级评价的拆解车间调度节能优化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(14): 396-408.
[15]	张寒, 刘开华, 王春燕, 赵万忠, 栾众楷. 四轮分布式线控转向系统稳定与协调控制研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(10): 425-438.