This study aims to build a novel tracking control algorithm using a finite-time disturbance observer which obtains fast convergence within a predetermined amount of time and strong stability for a class of second-order nonlinear systems. Firstly, a nonlinear sliding mode manifold with fast finite-time convergence is introduced. Then, according to the designed manifold for the guarantee of finite-time convergence and robustness stabilization, a nonlinear control algorithm based on theory of finite-time control is developed. Specifically, the information of the lumped uncertainty was achieved by a new finite-time Disturbance Observer (DO). Thanks to the synthetic advantages of the above techniques, the designed controller marked with powerful features including a practical design, fast convergence rate, high precision, a convergence of the control errors in finite-time, along with impressive small chattering in the control actions. Furthermore, the control proposal also eliminates the necessity of the upper boundary of the uncertainties affecting the system and its finite settling time can be estimated in advance by designating the appropriate design parameters. The finite-time stability of the proposed DO, sliding surface, and control algorithm has been fully confirmed by Lyapunov principle. Trajectory tracking simulation for a 3-DOF manipulator and trajectory tracking experiment for a Maglev System (MLS) has been performed under different operating conditions using MATLAB/SIMULINK to testify the effectiveness and feasibility of the suggested strategy.

中文翻译：

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一类具有二阶非线性系统的有限时间扰动观测器的新型跟踪控制算法及其应用

本研究旨在建立一种使用有限时间扰动观测器的新颖的跟踪控制算法，该算法在一类二阶非线性系统中可在预定的时间内获得快速收敛和强大的稳定性。首先，介绍了一种具有快速有限时间收敛性的非线性滑模流形。然后，根据保证有限时间收敛性和鲁棒性稳定的设计流形，提出了一种基于有限时间控制理论的非线性控制算法。具体来说，集总不确定性的信息是通过新的有限时间扰动观测器（DO）获得的。由于上述技术的综合优势，设计好的控制器具有强大的功能，包括实用的设计，快速的收敛速度，高精度，有限时间内控制错误的收敛，以及控制动作中令人印象深刻的小震颤。此外，该控制建议还消除了影响系统的不确定性的上边界的必要性，并且可以通过指定适当的设计参数来预先估计其有限的建立时间。Lyapunov原理已充分证实了所提出的DO，滑动面和控制算法的时限稳定性。使用MATLAB / SIMULINK在不同的运行条件下进行了3-DOF机械手的轨迹跟踪仿真和磁悬浮系统（MLS）的轨迹跟踪实验，以验证所提出策略的有效性和可行性。该控制建议还消除了影响系统的不确定性上限的必要性，并且可以通过指定适当的设计参数来预先估计其有限的建立时间。Lyapunov原理已充分证实了所提出的DO，滑动面和控制算法的时限稳定性。使用MATLAB / SIMULINK在不同的运行条件下进行了3-DOF机械手的轨迹跟踪仿真和磁悬浮系统（MLS）的轨迹跟踪实验，以验证所提出策略的有效性和可行性。该控制方案还消除了影响系统的不确定性上限的必要性，并且可以通过指定适当的设计参数来预先估计其有限的建立时间。Lyapunov原理已充分证实了所提出的DO，滑动面和控制算法的时限稳定性。使用MATLAB / SIMULINK在不同的运行条件下进行了3-DOF机械手的轨迹跟踪仿真和磁悬浮系统（MLS）的轨迹跟踪实验，以验证所提出策略的有效性和可行性。Lyapunov原理已充分证实了所提出的DO，滑动面和控制算法的时限稳定性。使用MATLAB / SIMULINK在不同的运行条件下进行了3-DOF机械手的轨迹跟踪仿真和磁悬浮系统（MLS）的轨迹跟踪实验，以验证所提出策略的有效性和可行性。Lyapunov原理已充分证实了所提出的DO，滑动面和控制算法的时限稳定性。使用MATLAB / SIMULINK在不同的操作条件下进行了3-DOF机械手的轨迹跟踪仿真和磁悬浮系统（MLS）的轨迹跟踪实验，以验证所提出策略的有效性和可行性。