双惯性伺服传动系统的抗扰动复合非线性控制

本文把复合非线性反馈(composite nonlinear feedback,CNF)控制技术推广到带有非定常扰动的输入饱和限幅的线性系统.其中,未知扰动被作为一个扩张状态量增广到被控对象的模型中,然后设计一个扩展状态观测器来对系统的状态量和扰动同时进行估计,通过在CNF控制的框架中引入一个扰动补偿机制,在降低由扰动引起的稳态误差的同时,保留了CNF原有的快速的瞬态性能.这种控制方案对定常或时变扰动、匹配或非匹配的扰动,都能统一处理.论文对该控制方案的闭环稳定性和定点跟踪性能进行了理论分析,并把它应用到一个双惯性伺服传动系统.数值仿真结果验证了该方案在定点跟踪控制中具有优越的瞬态性能和稳态精度,且对扰动/给定目标的幅值变化也有一定的性能鲁棒性.     

面向性能增强的双惯量伺服系统状态反馈控制

为避免使用函数逼近器(神经网络或模糊系统),并提高双惯量伺服系统的瞬态响应和稳态性能,针对含外部扰动的双惯量伺服系统,提出一种基于预设性能函数(Prescribed performance function, PPF)的类比例状态反馈控制策略.首先,提出一种改进的带有最大超调、收敛速率以及稳态误差的预设性能函数,并将该函数融入控制器设计使二惯量伺服的跟踪误差保持在预定的边界之内.其次,基于预设性能函数设计了类比例状态反馈控制器实现跟踪控制.与传统基于函数逼近控制方法相比较,该方法可降低控制系统计算复杂度同时消除反演控制中存在的复杂度爆炸问题.最后,利用双惯量伺服系统实验平台开展了对比实验,验证了所提出方法的有效性.     

永磁同步电机有限时间预设性能控制

为实现扰动作用下对永磁同步电机角位置伺服系统的高瞬态和稳态跟踪性能控制,本文提出一种具有预设性能约束的有限时间控制方法.首先,设计扰动观测器实现对负载力矩扰动的估计与补偿.其次,引入有限时间预设性能函数以保证角跟踪误差的动态性能,并通过可逆变换将受不等式约束的角位置跟踪误差转换为等效的无约束误差形式.然后,将有限时间指令滤波反步法应用于控制器设计中,不仅可以避免“微分爆炸”的现象,而且能够保证跟踪误差的有限时间内收敛.最后,通过仿真实验验证了该算法的有效性和对扰动的鲁棒性.     

基于有限时间预设性能的高超声速飞行器反演控制

针对存在参数不确定以及外界干扰的高超声速飞行器跟踪性能问题,提出一种基于有限时间预设性能的反演控制方案.首先,为便于控制器设计,将高超声速飞行器模型划分为速度和高度子系统,针对子系统分别设计预设性能控制器以提高系统的瞬态和稳态性能;然后,通过设计一种有限时间性能函数,使得跟踪误差能够在预设时间内收敛至稳态值;接着,考虑到反演设计中虚拟指令导数难以获取以及干扰项对系统的影响,基于干扰观测器提出一种扰动估计方法,目的是在取得良好的观测扰动效果的同时,使得控制器设计流程简化、复杂度降低;最后,基于Lyapunov稳定理论证明系统的跟踪误差最终一致有界,并通过仿真验证该方法的有效性.     

多星发射上面级主动抗扰姿态控制技术研究

针对多星发射的运载火箭上面级在入轨段由于卫星分离产生的质量偏移,从而引起的三轴姿态严重耦合问题展开了研究,提出了基于广义扩张状态观测器的改进预测函数控制姿态控制方法.该控制方法将质心偏移造成上面级结构参数偏差和引入的干扰力矩以及其他未知系统参数偏差、外界扰动和未建模动态视为集总扰动,并将该非匹配干扰通过等效输入扰动技术转换为匹配干扰,由广义扩张状态观测器对变化后的系统状态和未知集总扰动同时观测.将集总扰动在反馈回路予以补偿保证了预测模型与上面级真实动力学模型有较高匹配度,进一步保证预测函数控制有较高的控制跟踪精度和较快的响应速度,并对外界扰动和参数偏差有较强的鲁棒性.文中算例仿真和性能对比验证了该方法的有效性及可行性.     

基于复合控制的摆镜伺服系统研究

针对摆镜伺服系统的高精度要求,结合重复控制和神经网络PID控制的设计思想,提出了一种新型的复合控制方案.该控制方案采用重复控制改善系统的稳态特性和增强系统克服同频率扰动的能力,并采用BP神经网络PID控制增强系统抵抗参数变化和各种非线性不确定扰动的能力,改善系统的动态特性.试验结果表明,该方案使伺服系统获得了良好的动态和稳态性能,很好地改善了系统的跟踪性能,有效地提高了摆镜扫描的速度稳定性,抑制了电机的振荡现象.     

含执行机构未知动态的液压伺服系统输出反馈控制

针对含有未知动态(如:执行机构、负载等)液压伺服系统,提出一种基于未知系统动态估计器的输出反馈控制方法.该方法不依赖于函数逼近器和传统反步控制设计,且无需难以测量的系统内部状态.首先,为避免反步控制和系统全部状态,引入等价变换,将含液压执行机构的伺服系统高阶严格反馈模型转化为Brunovsky标准型,进而运用高阶滑模微分器观测转化后的系统未知状态.控制器设计中引入描述收敛速率、最大超调量和稳态误差的性能函数,保证预设控制系统稳态和瞬态控制性能.为补偿系统集总未知动态影响,设计一种仅含一个调节参数并保证指数收敛的未知系统动态估计器.该输出反馈控制器可以实现对系统输出的精确跟踪控制.最后,通过数值仿真结果表明了所提出算法的有效性.     

基于椭圆吸引律的离散重复控制

针对离散时间系统的周期轨迹跟踪问题,提出一种基于椭圆吸引律的离散重复控制方法.该方法能有效减小抖振,并通过扰动扩张状态观测技术对系统的未知扰动进行有效抑制,采用重复控制技术对系统中存在的周期扰动完全消除.为了刻画系统误差动态性能,推导出单调减区域、绝对吸引层、稳态误差带的表达式以及系统跟踪误差进入稳态误差带的最大步长.通过数值仿真与直线伺服电机实验,验证所提出控制方法的有效性.     

基于量化控制信号的线性系统的跟踪性能极限

研究基于量化控制信号的线性系统的跟踪性能极限. 所研究的被控对象是稳定的线性时不变(LTI)系统, 参考跟踪信号是阶跃信号. 跟踪性能通过对象输出与参考信号之差的能量来衡量. 为了达到渐近跟踪, 提出了一个新的量化方案. 方案包括两部分: 一部分是在初始时刻将控制信号的稳态值通过网络传输给被控对象并且存储在其输入端; 另一部分则是通过对数量化器, 对控制信号的瞬态部分(即控制信号与其稳态值之差)进行量化, 然后传输给被控对象. 最后该量化信号与稳态控制信号相加后作用于被控对象. 这里, 假设对数量化误差是     

具有非匹配扰动的非线性变参数系统模型参考跟踪控制

本文研究了一类含有非匹配扰动的非线性变参数系统的跟踪控制问题.首先,设计非线性扰动观测器用于估计系统所受到的未知扰动.其次,在前馈–反馈跟踪控制器中引入扰动补偿控制项,提出一种基于扰动观测器的跟踪控制策略.利用依赖于状态和时变参数的线性矩阵不等式,导出保证闭环系统输入–状态稳定的充分条件,进而运用平方和凸优化技术解析地构造出扰动观测器和跟踪控制器.通过理论证明,所设计的控制策略能够实现非线性变参数系统输出对参考模型输出的跟踪,消除输出通道中非匹配扰动的影响.最后,由数值仿真例子验证了所提方法的有效性.