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关键词： 相位型超构表面   多自由度   电磁调控   空气波导   电磁场耦合作用   复合相位原理  

摘要： 现代社会的进步与电磁波调控技术的发展息息相关。传统的电磁波调控常通过改变材料的种类和器件的面形实现，由此导致系统笨重繁杂。超构表面作为超材料的二维等价物，是一种新兴的可人为设计的平面电磁调控器件，为电磁波调控系统和器件的轻量化、平面化和集成化提供了重要途径。其中，相位型超构表面通过人为设计亚波长结构的参数和材料，在介质交界面处引入异常相位突变调控电磁波，已广泛用于成像、传感、虚拟赋形和通讯等领域。　　在国家自然科学基金等项目的资助下，论文重点针对目前相位型超构表面存在的效率带宽受限、调控维度相对单一和复用自由度相对有限且集成度较低等问题，结合振幅、偏振、波长和透反射空间等自由度，分析了高效多自由度相位型超构表面的原理，较为深入地研究了电磁波高效宽带相位调控、相位和振幅同时调控、多自由度复用等方法。本文的主要研究内容和创新点如下：　　（1）针对相位型超构表面效率带宽受限的问题，基于悬链线光场理论，提出利用全金属结构激发出的低损耗的空气波导模式实现高效宽带相位调控的方法。首先提出在相邻的全金属结构之间构建类缝环谐振腔的方法增加带宽和效率，结果证明在 8-14 μm 波长范围内，设计的经典几何相位超构表面的平均效率为~84%。其次，提出利用多重旋转对称性的手性全金属结构高效地产生广义几何相位的方法，设计的广义几何相位超构表面在9.5-11.5μm 的波长范围内，平均效率约为 83%。利用上述方法，设计了高效宽带全金属偏折器、自旋至轨道角动量转换器和全息器件，进行仿真和实验验证。　　（2）针对相位型超构表面调控维度相对单一的问题，在相位自由度的基础上增加振幅自由度，提出基于结构内部电磁场耦合作用的高效相位和振幅同时调控方法。首先，基于超级单元偏振选择的局域相长或相消干涉原理，提出一种可实现高效线偏振相位和振幅同时调控的单层超构表面设计方法，并设计偏折器和聚焦透镜进行仿真验证。随后，提出利用多重旋转对称性结构内部的双磁偶极子共振和结构间强的电场相互作用同时调控圆偏振相位和振幅的方法，并制备和测试了偏折器和涡旋光束产生器，对其进行实验验证。　　（3）针对相位型超构表面复用自由度相对有限且集成度较低的问题，拓展波长和透反射空间复用自由度，并基于复合相位原理进一步提高集成度。首先，利用传输相位的波长相关性，提出基于复合相位原理的波长复用方法，通过对制备的多通道涡旋光束产生器和全息器件进行实验表征，证明改变入射光波长可实现对称和非对称光子自旋相互作用的切换，同时产生光学双卷积现象。其次，提出基于局域干涉原理的空间复用方法，设计了可在反射和透射空间分别产生聚焦的涡旋光束和聚焦光束的多功能器件，仿真和理论结果基本一致，证明单层全介质超构表面可在透射和反射空间高效地产生任意且独立的波前。

关键词： 单枪加注多种油品   五自由度   运动学研究   动力学研究  

摘要： 随着我国人均保有的汽车数量逐年增多,如何提高加油站加油效率,减少人力成本成为了工业机器人的一个研究方向。特别是近些年来人工智能和工业机器人技术的发展,以机器人为主导的智能化生产模式逐渐替代以人力为主导的传统生产模式,催生出了一批自动加油机器人。在此设计一款单枪加注多种油品的自动加油机械臂,并研究了机械臂的运动学和动力学相关特性。本文主要从两方面来研究五自由度自动加油机械臂,一方面针对现存自动加油机械臂无法实现单枪加注多种油品的问题对末端执行器进行创新设计,并验证其理论上的可行性,另一方面提出了自由度为五的自动加油机械臂,并验证其在加油过程中采用五自由度的可行性,在五自由度的基础上对机械臂的运动学、动力学等相关特性进行了分析和仿真。主要研究内容有:(1)设计选型了机械臂末端执行器的夹持装置、开盖装置和授油装置。为实现单枪加注多种油品,针对授油装置进行了创新设计。运用Solidworks软件对末端执行器各装置进行整体建模装配。运用Solidworks中的Flow Simulation模块对阀体进行流体仿真验证其自封功能的可行性。(2)通过整个加油流程中末端执行器各工位与目标物体的配合关系,得出配合所需的齐次坐标矩阵,从矩阵的变换过程确定机械臂所需的自由度。运用Solidworks软件对机械臂整体进行建模,并对加油站场景进行搭建,在确保配合关系的前提下对机械臂大体尺寸进行确定,从而为之后的计算仿真提供相关数据。(3)为研究机械臂的运动学以及动力学,首先通过D-H参数法建立机械臂的运动学方程,并通过分离变量法得出运动学方程的逆解。为研究机械臂的末端与关节之间的映射关系,在机械臂运动学方程的基础上分析了机械臂的雅可比速度矩阵以及静力学雅可比矩阵。(4)基于Matlab对机械臂进行运动学仿真,包括对机械臂进行正逆运动学仿真和工作空间仿真。前者验证运动学方程正逆解的正确性,后者进一步验证第三章中自由度与尺寸的可行性。对机械臂分别进行关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划,得出两种规划方法下末端点的位移、速度、加速度随时间的变化曲线,以及各关节的角度、角速度、角加速度随时间的变化曲线,从而为动力学仿真提供所需的驱动函数。(5)运用拉格朗日法建立机械臂动力学方程。将关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划中的各关节角度随时间的变化曲线分别导入到Adams软件中作为各关节的驱动函数,可得两种规划方法下各关节所受力矩的变化情况。(6)运用Ansys的瞬态分析模块分析机械臂整体在运动过程中的应力应变情况,通过应力大小对比机械臂材料的屈服强度,从而确保机械臂工作过程中的安全性,通过应变大小,确定机械臂在运动过程中是否满足精度要求。

关键词： 振动测试平台   混合启发式算法   模型设计   PID控制   策略优化  

摘要： 随着汽车工业的发展,振动试验成为了检测车辆性能的重要环节。目前车辆振动试验还是现场测试为主,且现有的模拟车辆振动试验装置大多为串联式通用平台,不能满足车辆振动试验中高精度、快响应的功能需求。与传统的串联机构相比,并联机构具有更高的刚度、更稳定的结构和更大的承载能力。据此本文设计了一个具有速度响应快、运动精度高、振动频率大等优点的车辆六自由度振动测试平台,并对其进行控制策略优化研究,为汽车总成、汽车相关零部件的研发以及车辆性能测试提供振动试验基础。针对上述问题本文进行了如下研究: 对车辆六自由度振动测试平台进行结构分析,利用矩阵变换法推导出车辆振动测试平台运动学反解模型,利用拉格朗日公式进行平台的单缸动力学分析,结合牛顿-欧拉方法对动平台进行动力学分析;针对车辆振动测试平台的功能需求,进行车辆六自由度振动测试平台模型设计,通过静力学分析验证了测试平台结构作为车辆振动测试平台的合理性,通过动力学分析验证了其运动性能;以设计的三维模型参数为基础,结合车辆振动试验特点,提出基于混合启发式算法的PID控制策略,推导出伺服电动缸的单通道数学模型,基于MATLAB/Simulink建立车辆六自由度振动测试平台控制仿真系统模型。 结合电动缸的实际参数对电动缸单通道模型进行基于混合启发式算法PID的控制策略仿真,并使用Z-N法PID控制进行控制策略的对比分析,结果表明,采用混合启发式算法PID控制时,阶跃系统超调量仅为3.80%,系统的动态性能显著提升。分别采用混合启发式算法和Z-N法PID控制系统对车辆六自由度振动测试平台控制仿真系统模型进行控制性能验证,结果表明,采用混合启发式算法PID控制时平台在空间位置变化曲线更加接近输入信号,系统运行0.3 s后进入稳定状态,其最大位移误差为0.09 mm,系统的运动精度相较于Z-N法PID控制提升了61%。

关键词： 多自由度强非线性振动系统   数值分析方法   复变量平均法   增量谐波平衡法   稳定性分析  

摘要： 为了给非线性能量阱(NES)耦合超高层建筑在强风作用下产生的风致振动特性研究奠定基础，本文将分别基于两种解析分析方法——复变量平均法(Complexaveragingmethod,CA)和增量谐波平衡法(Incrementalharmonicbalancemethod,IHB)对一个三自由度线性主结构耦合立方刚度非线性能量阱(CubicNES)的强非线性振动系统进行解析计算，辅以李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论和弗洛凯(Floquet)理论判断平衡点的稳定性，并在此基础上探究该系统的振动特性。从这个角度出发，本文以四个自由度的强非线性系统为例，计算并展示了解析方法应用于较多自由度的模型时的计算过程和结果，为之后将其推广到更加复杂的强非线性系统的研究工作提供了参考。同时，为了确保计算结果的正确性，本文采用了四阶龙格库塔法(Runge-Kuttamethod,RK)和牛顿拉夫逊法(Newton-Raphsonmethod,NR)等数值方法进行验算。具体内容及有关结论如下:　　(1)介绍了本文选取四自由度强非线性系统进行研究的背景和原因，回顾了非线性能量阱的发展历程，主要包括对其强非线性振动特性和振动抑制效果的理论研究和实验。此外，以CubicNES为例解析分析了非线性能量阱在自由振动时的靶向能量传递现象。　　(2)以单自由度线性主结构耦合CubicNES的简单系统为例，对比基于两种数值方法——四阶龙格库塔法和牛顿拉夫逊法计算出的位移响应稳态周期解，从而验证了这两种数值方法本身的正确性，为后续对解析解的数值验证提供支持。　　(3)利用复变量平均法推导了四自由度强非线性系统的慢变方程;计算出了固定简谐荷载作用下平衡点坐标随立方刚度系数变化的趋势，同时也从数学上解释了平衡点个数与系统参数之间的关系;最后，基于李雅普诺夫理论对平衡点稳定性进行了判别。分析结果表明:对于包括不稳定平衡点在内的三个平衡点的参数情况，即使以不稳定平衡点为积分初值，系统也无法长时间保持相应的振动状态，最终都会滑向某一个稳定平衡点对应的周期解。　　(4)针对研究所关心的强非线性系统随外激励频率变化的振动特性，利用增量谐波平衡法对系统响应进行了解析计算;随后采取弧长增量法追踪频响曲线，提高了收敛速度;最后通过弗洛凯理论对求得的周期解进行稳定性判别。分析结果表明:基于增量谐波平衡法和弗洛凯理论绘制的频响曲线能够有效预判周期解的稳态幅值和稳定性;对于同一个频率下有多组稳定周期解的情况，系统的稳态响应幅值取决于初始能量大小;相较于三自由度线性主结构的自振频率，附加CubicNES后的强非线性系统的振幅峰值频率可能会产生一定量的偏移;另外，当系统产生强调制响应时，CubicNES能够发挥出较好的振动抑制水平。

关键词： 机械臂   图像去雾   目标定位   轨迹规划   时间优化  

摘要： 机械臂是将多学科的先进技术集成于一体的高科技产品,在极端恶劣的环境中可以代替人类完成各种工作任务。同时机械臂具有较高的生产效率,由此机械臂成为科研人员的研究热点。传统的机械臂只能进行单一、重复的操作,无法满足现代化生产的需求,所以研究人员将计算机视觉与机械臂相结合。利用视觉计算检测到目标物体位置,然后控制机械臂到达目标位置,使运行过程简单化、智能化。本文以AUBO-i5型机械臂为研究对象来分析机械臂的运动轨迹规划等问题,主要的研究内容如下:(1)首先,简单地介绍AUBO-i5型六自由度机械臂的结构和特点,并分析了机械臂运动学的基本理论知识及运动学模型;其次,描述了机械臂末端的位姿信息,以及多种坐标系的转换方式;最后,为了分析正逆运动学的准确性,本研究通过Matlab仿真软件进行了验证。(2)机械臂的抓取环境复杂多变,例如机械臂在雾霾环境下工作时,相机采集到的图像就会发生特征丢失的现象。针对该问题,提出了一种基于Cycle-dehaznet的单幅图像去雾网络。该方法将循环对抗生成网络Cyclegan和传统去雾网络Dehazenet相结合,利用Dehazenet架构作为Cyclegan网络中生成器的特征提取模块,并结合已有的假设和先验知识提升网络的去雾性能,从而有效地降低雾霾对图像成像质量的不利影响,提高了机械臂的抓取检测精度。然后,分析了目标定位技术,即基于卷积神经网络的矩形框抓取检测算法。针对所获取的图像进行矩形框抓取检测操作,利用卷积神经网络的特征提取能力,可以较好地学习图像数据并输出机械臂抓取的二维位置关系。最后,将二维抓取参数转换到空间坐标中,输出目标物体的空间位置信息,为下一步轨迹规划及优化做好准备。(3)机械臂在运行过程中存在加速度突变的问题,严重时会导致电机脱离驱动范围。针对此问题,本文选择将三次和五次多项式插值算法结合来优化机械臂的运动轨迹。机械臂在轨迹规划过程中驱动装置要符合实际负载要求,因此各关节速度和加速度在选取上会相对保守,导致完成一套动作需要的时间过长,从而使机械臂的连续性和平稳性未能充分发挥。为解决关节速度和加速度的优化选择问题,创新性地提出一种基于改进蝴蝶算法的机械臂时间最优轨迹规划方法。通过将莱维飞行和正弦余弦算法引入到蝴蝶优化算法中,对机械臂的运行时间进行优化,改进后的运行时间缩短了近36%,大大提升机械臂的工作效率。

关键词： 水下无人机   输入饱和   自适应控制   渐近收敛   不确定性  

摘要： 水下无人机(Autonomous Underwater Vehicles,AUVs)以其灵活性、多功能性、安全性和自主性逐渐成为工业和科研等领域中的热门工具。然而,水下无人机模型的不确定性以及复杂多变的水下环境等问题使得水下无人机高精度的轨迹跟踪控制成为一个难题。本文基于自适应控制方法与反步法,对三自由度水下无人机轨迹跟踪控制问题展开研究。具体研究内容如下:1.针对带有未知外部扰动的水下无人机的轨迹跟踪控制问题,在模型参数完全未知的情况下,结合障碍Lyapunov函数和反步法,设计了一种自适应渐近跟踪控制器。考虑输入饱和问题,采用双曲正切函数来解决真实控制律构造困难的问题。设计了一种新型的虚拟控制律,提高了系统的控制性能。通过构造自适应律,解决了未知外部扰动对系统性能的影响。通过李雅普诺夫理论分析了闭环系统的渐近稳定性。仿真的结果表明了该算法可以实现水下无人机渐近跟踪控制。2.针对带有复杂不确定性和输入饱和的水下无人机,提出了一种自适应渐近跟踪控制算法。设计了一种自适应律来补偿复杂不确定函数,并利用双曲正切函数克服了未知输入饱和问题。然后,通过重构虚拟控制律以及引入非线性变换来提高跟踪性能。稳定性分析证明了所设计的控制律可以实现跟踪信号的渐近收敛。仿真结果表明,该控制策略能有效抑制复杂不确定性对系统的影响。3.研究了带有未建模动态和输入饱和的水下无人机的轨迹跟踪控制问题,结合反步法和神经网络控制技术,提出了一种新型自适应神经网络控制方案。首先,利用自适应神经网络控制器逼近未知函数,并采用一种新型自适应机制补偿神经网络的逼近误差,实现了无差调节。然后,利用双曲正切函数克服了未知输入饱和问题。此外,将非线性变换引入反步法中,提高了系统性能。稳定性分析证明了所设计的控制律可以实现跟踪误差的渐近收敛。最后,仿真结果表明了该控制策略的有效性。

关键词： 压电陶瓷   六自由度   纳米定位   柔性铰链   位姿控制模型  

摘要： 微操作技术作为纳米科技的关键技术之一,其发展离不开高精度的定位平台,而传统的高精度定位平台已经难以满足微操作技术的需要。因此,设计与研究一种具有纳米级定位精度或者重复定位精度、结构紧凑、响应速度快的高精度、高自由度的定位平台是十分重要的。本文基于压电陶瓷驱动器设计了一种并联六自由度定位平台,具有纳米级重复定位精度和分辨率,并对平台进行构形设计与导向机构的优化、给出平台的位姿控制模型、提出平台的控制方案和对平台的性能进行试验测试与仿真分析。根据并联六自由度纳米压电平台的技术要求,初步提出了平台结构的设计方案。基于柔性铰链优化了压电陶瓷驱动器的导向及预紧机构:对比分析柔性铰链的类型、材料;计算柔性铰链的转动刚度和结构参数的关系式,进而选定柔性导向及预紧机构的结构参数;最后对柔性导向机构和柔性预紧机构进行有限元仿真验证,确定了柔性导向及预紧机构的构型设计。分析平台六个自由度的定位原理,根据定位原理得到平台的位姿控制模型;根据压电陶瓷驱动器的位移与电压特性曲线,通过MATLAB软件计算动平台到达目标位姿时所需要的驱动电压,利用ANSYS软件进行仿真分析,分析仿真结果,验证位姿控制模型的正确性和有效性。分析叠堆型压电陶瓷驱动器的迟滞非线性、蠕变特性和一些其他特性对驱动器输出结果的影响,对迟滞非线性建立了PI迟滞模型,并以其逆模型作为压电陶瓷驱动器的前馈控制基础;结合并联六自由度纳米压电平台的结构设计和技术要求,选定闭环反馈控制的反馈装置,从而建立基于PID控制器的闭环反馈控制;最后,结合前馈控制与闭环反馈控制,提出平台八个压电陶瓷驱动器的控制方案,并给出了控制系统的系统框图。通过搭建试验平台进行试验测试,检验平台的静态性能:试验证明,平台具有纳米级的重复定位精度、分辨率、绝对定位精度。通过ANSYS软件仿真验证平台的动态性能:分析柔性导向及预紧机构与平台整体的前六阶固有频率,表明平台具有良好的稳定性;分析平台六个自由度之间的耦合串扰情况,表明平台具有良好的解耦性能。

关键词： 全驱动系统   直接参数化方法   机械臂   轨迹跟踪   非线性干扰观测器  

摘要： 多自由度机械臂作为工业领域中应用最广泛的机器人,同时也是复杂机器人的重要组成部分,对其进行高精度控制是机器人应用的基础。由于机械臂的轨迹跟踪控制广泛存在于装配、喷涂、码垛、分拣等应用场景,因此本文基于高阶全驱系统模型,结合非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)以及特征结构配置方法研究了六自由度机械臂的轨迹跟踪问题,具体研究内容如下:首先,本文利用改进的Denavit-Hartenberg(D-H)参数法和拉格朗日动力学方程对一款实际的六自由度机械臂建立运动学模型和标称动力学模型,并且使用Matlab中的机器人工具箱和动力学模型的相关性质来辅助验证所建模型的准确性。随后,针对存在内部建模误差、关节摩擦以及外部扰动等内外不确定性(internal and external uncertainty,IEU)的六自由度机械臂二阶全驱系统模型,基于NDO设计轨迹跟踪控制器。具体为首先设计一种NDO对IEU进行估计,从而通过补偿控制器抵消其对系统造成的影响;之后利用直接参数化方法设计轨迹跟踪控制器,该方法将控制器设计过程中的自由度以显式的自由参数形式给出,通过优化这些自由参数,可以方便地控制系统的不同性能,如快速性,抗干扰能力等;另外通过切换控制策略(switch control strategy,SCS)动态调整控制器的参数以解决控制器输出峰值过大的问题。最后,为了避免电机本身的控制对六自由度机械臂的轨迹跟踪精度可能造成的负面影响,将电机的动力学模型加入二阶全驱系统模型,得到输入为电压信号的三阶全驱系统模型,并结合NDO利用直接参数化方法设计轨迹跟踪控制器。具体为首先在跟踪-微分器(tracking-differentiator,T-D)估计的二阶状态反馈信号的基础上设计NDO,基于NDO的估计值对系统的IEU进行补偿。其次在T-D的基础上利用直接参数化方法设计轨迹跟踪控制器,并使用SCS限制控制器的输出峰值。最后利用前文所选择的六自由度机械臂对所提出的理论进行仿真,结果证明了T-D良好的构造信号能力,NDO准确的扰动观测能力以及轨迹跟踪控制器的有效性。

关键词： 机械臂   ROS   路径规划   轨迹规划  

摘要： 随着现代工业科学技术的迅速发展,机器手臂技术已逐渐成为世界工业生产领域中智能化程度最高的技术产品之一,它能通过替代人进行重复劳作而达到生产产品的高机械化和自动化程度,可在危险环境下作业以保障工人生命安全,因而广泛应用于机械制造、车辆、冶金、电气、轻工和原子能等产业。目前,机械臂运动学解析与轨迹规划仍是机械手臂的主要研发方向,而高效准确的路径规划算法与高速平稳的轨迹,对于提升机械手臂运动稳定性、运动准确度与作业效能都具有意义。如何使机械臂中的末端控制器通过平滑快速而又稳定安全的轨迹,迅速且安全有效的到达所指定的目标区域,这是本文研究的重点。因此,本文从这两方面出发,以UR5机械臂为研究对象,开展了如下研究工作:文章在检索国外有关文献资料的基础上,通过改进D-H方法构建出了六自由度UR5机械手臂的数学模型。采用了ROS平台所构造的UR5机械臂URDF模型,同时采用Moveit功能包对机械手臂的URDF数据进行了匹配,并为后续UR5机械臂的路径规划与轨迹规划的研发工作建立了仿真实验模板。通过对机械臂上进行搜索与采样的不同路径规划方法的理论与代码进行试验研究,归纳出常用路径规划方法的不足之处,并针对快速扩展随机树算法的效能不足的缺陷,给出了加入目标导向的双向扩展随机树算法,并利用仿真与对比试验证明此方法的有效性。在介绍了机械臂的轨迹规划原理基础上,讨论了在关节空间和笛卡尔空间下轨迹规划的方法和流程。对常用的轨迹规划算法的原理进行分析,并通过代码实现对比分析其优缺点,在此基础上对基于抛物线过渡的线性函数插值的轨迹规划方法进行讨论分析,并实现了其多轴时间同步的算法。在满足约束的条件下,利用pybullet物理仿真平台进行了UR5机械臂运动仿真实验,实验结果表明该运动轨迹更加平稳,可以减小机械臂关节冲击和磨损,为机械臂的控制提供了理论依据。

关键词： 二自由度球面并联机构   动力学建模   轨迹规划   神经网络   滑模控制  

摘要： 常规的摄像装置只能在水平和垂直单方向有限角度上调整,不能在空间球面上两自由度上调整。为了更好的观察和持续捕捉目标,需要一种多角度和精度高的摄像装置。球面并联机构可以在空间球面两自由度上调整,能获得更好摄像视角。本文创新设计了一种二自由度球面并联机构,并以该二自由度球面并联机构为研究对象,深入研究了二自由度球面并联机构的动力学建模、轨迹规划和轨迹跟踪控制。轨迹跟踪控制的前提需要有精确的数学模型,因此数学建模是二自由度球面并联机构的研究过程中的基础。为了得到二自由度球面并联机构末端与各关节的关系,利用解析法求解出了二自由度球面并联机构的运动学模型。采用拉格朗日法推导出了二自由度球面并联机构的动力学模型。运用MATLAB和ADAMS软件对拉格朗日动力学模型进行仿真对比,验证了其正确性和有效性。为了减少二自由度球面并联机构运动轨迹中的振动和冲击,分析了常用的轨迹规划方法。根据综合分析和实际机构需求,采用了三次样条曲线进行速度规划。针对样条曲线通常不可能同时指定初始速度和最终速度以及加速度的问题,改进了三次样条插值算法。最后,通过仿真验证了改进的三次样条插值算法满足增加平稳性的要求。为了提高二自由度球面并联机构在外部干扰下的控制精度,在拉格朗日动力学模型的基础上,设计了一种基于HJI理论滑模控制器(HSMC)。针对基于HJI理论滑模控制器(HSMC)抗干扰能力差的问题,基于HJI理论、神经网络和自适应控制,提出了一种基于HJI理论的神经网络自适应滑模控制器(HRSMC)。该方法有效提高了二自由度球面并联机构应对较大不确定性和外界干扰的能力。最后,通过对比仿真验证了基于HJI理论的神经网络自适应滑模控制器(HRSMC)有效性。搭建了二自由度球面并联机构的实验平台,并对其运动规划、基于HJI理论滑模控制器(HSMC)和基于HJI理论的神经网络自适应滑模控制器(HRSMC)进行了验证。