基于固定时间扰动观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对六自由度小型四旋翼无人机在轨迹跟踪控制过程中,单一控制器构成的控制系统存在外部未知干扰,系统的鲁棒性以及轨迹跟踪精度容易产生较大的波动问题,该文章提出了一种基于固定时间扰动观测器的全闭环控制方案,即针对位置与姿态的双闭环控制;首先利用固定时间理论设计了两个扰动观测器,在固定时间内对扰动做出估计并进行补偿;在此观测器对扰动值的精确估计基础之上,设计了两个具有扰动补偿能力的非线性跟踪控制器;李雅普诺夫稳定性理论证明了所述方法的有效性;仿真实验中,为对比所述控制方法的有效性,同时采用传统单一控制器构成的无人机控制系统进行对比分析;在无人机质量为m=1.44 kg、环境重力加速度为g=9.8 m/s2以及其他模型参数一致的前提下,进行大量的仿真实验验证了所提出的基于固定时间扰动观测器的扰动补偿控制系统,能够保证小型四旋翼无人机六自由度受到复杂外部干扰时准确估计出外部干扰值,并实现无人机进行高精度轨迹跟踪控制,且轨迹跟踪精度与抗扰性能皆优于传统单一控制器构成的无人机控制系统.     

负荷频率控制系统的线性自抗扰控制

本文研究负荷频率控制系统的线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection, LADRC)方法. 考虑负荷频率控制系统的模型及结构, 本文首先通过一仿真例子分析了二阶和三阶LADRC在单区域电力系统的控制性能,指出二阶LADRC在负荷频率控制中的限制. 随后本文针对负荷频率控制中存在的发电速率约束(generation rate constraint, GRC)这一实际问题, 提出一种anti-GRC补偿方案. 该方案将汽轮机理论输出与实际输出误差作为扰动输入, 利用扩张状态观测器进行估计, 从而使LADRC能够快速补偿该误差, 达到抗积分饱和的作用. 最后, 本文将LADRC设计方法推广到具有再热汽轮机和水轮机系统以及多区域电力系统. 仿真表明LADRC是一种独立于模型的普适性控制结构, 所需整定参数少, 能够取得比PID控制更好的抗干扰性能, 可以应用到负荷频率控制系统中.     

线性自抗扰控制的抗饱和补偿措施

控制输入约束是实际工业过程中普遍存在的现象,然而控制器设计中通常都假设执行机构动态是线性的,因此当执行机构存在约束时,执行机构输出信号与控制器输出信号不一致,使系统的动态性能降低,甚至导致系统不稳定.本文针对线性自抗扰控制(linearactive disturbance rejection control,LADRC)执行机构的约束问题,提出两种抗饱和补偿方案,利用LADRC扩张状态观测器估计控制器状态或者控制器输出与执行器输出的误差,从而使LADRC能快速消除饱和.将这两种方法用到含执行机构饱和的一阶惯性加迟延被控对象进行仿真研究,结果表明两种补偿措施下线性自抗扰控制器能得到较好的控制性能.随后本文将LADRC抗饱和思想推广到负荷频率控制系统(load frequency control,LFC)中,仿真表明基于误差补偿的抗饱和方案对于LFC系统更为有效.     

移动机器人的线性自抗扰控制设计与实验验证

为了实现移动机器人的高精度轨迹跟踪控制, 设计了一种基于扩张状态观测器的扰动抑制方法和相应的 实验验证平台. 首先, 考虑到不确定扰动如车轮纵向和侧向滑动对移动机器人系统控制性能的影响, 建立了受扰下 的运动学模型; 然后, 基于扩张后的运动学模型设计了扩张状态观测器来估计系统扰动; 接着, 利用扰动估计构建 了线性自抗扰控制器, 并利用Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性; 同时, 基于MATLAB/Simulink软件和微控制 器搭建了所推荐控制算法的实验验证平台. 最后, 仿真和实验结果都验证了所提出控制方法的有效性.     

基于PID参数整定的线性自抗扰控制参数整定

线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)是不依赖于被控对象的数学模型,在工业过程中具有极大的应用前景,LADRC参数整定是其在工业过程中能否应用的重要环节.鉴于实际工业控制中大都采用PID控制器,通过对二阶LADRC结构与其状态观测器的传递函数进行分析,得到二阶LADRC与PID控制器具有较强的联系,且LADRC比PID有着更好的控制性能.提出一种通过现有PID参数直接得到LADRC参数初始值的方法,以达到更好的控制性能,并基于一阶惯性加时延模型,得到将现有PID整定方法转化为二阶线性自抗扰控制参数整定方法.最后通过基准系统仿真表明所提出方法的有效性.     

基于重置状态观测器的加热炉随机扰动自抗扰控制方法

针对钢坯加热过程中炉温控制存在严重的外部随机扰动问题,提出一种基于重置状态观测器的加热炉随机扰动自抗扰控制方法,其核心思想是将随机扰动对炉温控制系统状态的影响归结为对输出的影响,并进行主动补偿.首先,设计一个自适应重置状态观测器来快速跟踪系统的状态;其次,设计一个随机扰动估计器来估量这些扰动,并补偿于系统的输入通道;最后,设计基于重置状态观测器的加热炉随机扰动自抗扰控制系统,并进行数值仿真验证所提出方法的有效性和优越性.     

比例阀控电液系统抗扰换向滞后补偿反步控制

针对比例阀存在换向滞后,电液系统受到的外部干扰,液压油弹性模量随渗入的空气变化、未建模动态,这些因素增加了设计电液位置控制器的难度,本文使用线性扩张状态观测器(LESO)对比例阀控电液系统的内部扰动、外部扰动、未建模动态进行估计,将虚拟控制量的非线性函数纳入抗扰反步控制器设计,实现比例阀控电液系统换向滞后补偿.分析了闭环系统的稳定性,证明当扰动导数有界时,观测误差和跟踪误差都有界,调整控制器增益与非线性项参数可使跟踪误差收敛到原点附近,仿真和实验表明,本文设计的控制器能显著缩短比例阀换向滞后、提高电液位置控制系统的跟踪速度、精度与抗扰能力.     

高阶不确定非线性系统的线性自抗扰控制

针对一类具有内部动态和外部扰动未知的SISO高阶非线性系统,提出一种通用的线性自抗扰控制方案.该方案基于单参数调节的高增益观测器思想,分别设计线性跟踪微分器、线性扩张状态观测器和线性状态误差反馈控制律.利用Lagrange中值定理和Cauchy-Schwarz不等式将系统总扰动的微分值转化为关于系统估计和跟踪误差的函数,可以解决因系统控制增益未知所导致的控制量微分值难以预先确定的问题.在此基础上,基于Lyapunov稳定性定理证明闭环系统误差信号有界,并进一步分析得到系统估计和跟踪误差与控制器参数的定量关系,即都可以随观测器增益的增大而达到无限小.仿真比较结果验证了所提出方案的有效性,与韩式自抗扰控制方案相比,该方案结构简单,调节参数少,易于工程实现.     

基于观测器的输出反馈电子节气门控制器设计

针对电子节气门系统的状态变量不完全可测量, 设计了一个基于观测器的输出反馈电子节气门控制系统. 该系统由一个估计不可测量状态的降阶观测器和一个非线性状态反馈控制器组成. 同时在控制器中引入了跟踪误差的积分项以抑制跟踪静差. 将建模误差和观测器误差等不确定性看作外部扰动, 在输入到状态稳定性(Input to state stability, ISS)理论框架下分析了跟踪误差系统的鲁棒性, 并据此给出了选择控制器参数的指导性原则.仿真及实验结果表明, 基于观测器的输出反馈控制器能够很好地实现电子节气门的跟踪控制.     

拦截高速机动目标的非线性自抗扰制导律

为实现导弹对目标的高精度拦截, 本文提出了基于加权齐次函数的非线性自抗扰拦截制导设计方法. 首先, 提出了基于加权齐次函数的非线性扩张状态观测器在线估计视线角速率和由目标加速度等内外不确定性因素构成的总扰动. 其次, 设计了基于非线性扩张状态观测器的非线性自抗扰三维制导律对总扰动进行补偿, 该制导律克服了高阶非线性项与强耦合项等不利因素的影响, 提高了拦截制导精度. 本文通过分析误差系统的动力学行为证明了闭环制导系统的稳定性和收敛性. 本文提出的方法在拦截精度等方面优于已有的基于线性扩张状态观测器和基于fal函数的扩张状态观测器的自抗扰制导方法. 仿真结果验证了本文所提出方法的有效性和优越性.     

线性自抗扰控制器的稳定性研究

研究了线性扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)的估计能力,并且分析了在线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control, LADRC)下闭环系统的稳定性. 对于系统模型未知的情形, 给出了线性扩张观测器估计误差有界的证明, 并通过分析得出了如下结论: 在扩张状态观测器跟踪误差趋于零的前提下, 在线性自抗扰控制下的闭环系统可以实现对设定信号的精确跟踪以及输入-输出有界(Bounded input and bounded output, BIBO)稳定.     

高阶线性自抗扰控制器的性能评估

以二阶系统为研究对象,在线性扩张观测器(LESO)的基础上,给出高增益形式的高阶LESO.基于高阶线性自抗扰控制器(HLADRC)二自由度闭环传递函数和频域特性曲线,证明了其状态估计误差的收敛性以及高阶线性自抗扰控制器的稳定性.同时,系统地分析了输入增益和模型参数不确定性对稳定鲁棒性的影响,推导出满足系统稳定条件的参数??的稳定域以及系统干扰抑制动态特性与带宽的关系.最后,通过与线性自抗扰控制器(LADRC)的对比仿真表明, HLADRC在干扰抑制方面具有很大的优势,而LADRC在稳定鲁棒性和控制品质方面具有更好的效果,从而为工程设计提供了理论依据和实践参考.     

A LADRC based fuzzy PID approach to contour error control of networked motion control system with time‐varying delays

This paper investigate the contour error control problem for networked multi‐axis motion system (NMAMS) with time‐varying delays. Firstly, the uncertainties induced by the delays are modeled as a part of the total disturbance, and a linear active disturbance rejection controller (LADRC) is designed for the uniaxial trajectory tracking control. In the LADRC, a linear extended state observer (LESO) is designed to estimate the system state and the total disturbance simultaneously, and the effect of the total disturbance is eliminated by the designed linear feedback error control law. Then, the classical contour error estimation method is adopted, and a fuzzy PID controller is designed to compensate the contour error to achieve a better contour tracking performance. Finally, experiments are provided to verify the effectiveness of the proposed method.     

Optimised active disturbance rejection motion control with resonant extended state observer

Tracking sinusoidal references with high precision and rejection of sinusoidal disturbances is a challenging task in the motion control practice. In order to deal with this control problem, a new resonant extended state observer is proposed and introduced in the active disturbance rejection control concept. The frequency analysis shows that an appropriate selection of resonant frequency provides complete rejection of sinusoidal disturbance and ideal reference tracking in the steady state. Further, it is shown that the proposed structure achieves better performances than generalised extended state observer based system in the wide frequency range. Moreover, in order to improve the system performances in transient period, the optimal parameter tuning method is developed. The results demonstrate that the optimally tuned system achieves better performances than the conventionally tuned one by about 25%, with the same robustness and noise sensitivity. The experimental validation of the new controller is carried out on the laboratory model of the didactic three-axis radar platform in fast sinusoidal reference tracking mode.     

具有输入约束和输出噪声的不确定系统级联线性自抗扰控制EI北大核心CSCD

针对一类具有输入约束和输出噪声的SISO(Single input single output)不确定非线性系统,提出了一种基于误差补偿和工程滤波的抗饱和级联线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control,LADRC)方法.首先针对高频量测噪声,分析了线性扩张状态观测器(Linear extended state observer,LESO)对噪声的放大机理及其与观测器增益的定量关系,进而设计了一种基于工程滤波器的级联LADRC方法,在滤除噪声的同时有效补偿了因滤波所造成的输出幅值和相位损失,确保了闭环系统的跟踪精度.然后继续考虑输入饱和的问题,利用LADRC的实时估计/补偿能力,通过将饱和差值信号引入LESO,设计了一种基于误差补偿的抗饱和LADRC方法,有效减小了系统设计控制量,避免了系统长时间陷入饱和.通过实时仿真比较,验证了所提出方法的有效性.     

Disturbance observer-based tracking control with prescribed performance specifications for a class of nonlinear systems subject to mismatched disturbances

This work investigates simultaneous prescribed performance tracking control and mismatched disturbance rejection problems for a class of strict-feedback nonlinear systems. A novel control scheme combining prescribed performance control, disturbance observer technique, and backstepping method is proposed. The disturbance estimations are introduced into the design of virtual control law design in each step to compensate the mismatched disturbances. To further improve the control performance, a prescribed performance function characterizing the error convergence rate, maximum overshoot, and steady-state error is used to construct the composite controller. The proposed controller guarantees transient and steady-state performance specifications of tracking error and provides much better disturbance attenuation ability simultaneously. Rigorous stability analysis for the closed-loop system is established by direct Lyapunov function method. It is shown that all the states in the resulting closed-loop system are stable, and the tracking error evolves within the prescribed performance boundaries and asymptotically converges to zero even in the presence of mismatched external disturbances. Finally, theoretical results are illustrated and demonstrated by two simulation examples.     

基于等价输入干扰滑模观测器的磁悬浮球系统模型预测控制

本文针对系统不确定性和外部干扰引起的磁悬浮球系统控制性能下降的问题,提出了一种基于等价输入干扰滑模观测器的模型预测控制(MPC+EIDSMO)方法.首先将原系统转化为EID系统,采用等价输入干扰滑模观测器对EID系统状态变量及等价输入干扰进行估计;然后基于状态估计值设计模型预测控制器,并将等价输入干扰估计值以前馈的方式补偿后得到最终的复合控制律,实现对参考位置跟踪的快速性,准确性以及对总扰动的鲁棒性.值得注意的是,与传统EID结构中的龙伯格观测器相比,等价输入干扰滑模观测器中增加的非线性观测误差反馈项有助于提高状态估计的快速性和精确性.从理论上证明了该系统是全局一致毕竟有界的.仿真和实验结果表明,相较于基于EID观测器的模型预测控制方法和基于龙伯格观测器的积分模型预测控制方法,所提方法提高了磁悬浮球系统的跟踪性能,并且有效的抑制了系统不确定性和外部干扰.     

Disturbance observer–based prescribed adaptive control for rate‐dependent hysteretic systems

In this paper, a disturbance observer–based prescribed adaptive control approach is proposed for ultra‐high‐precision tracking of a class of hysteretic systems with both high‐order matched and mismatched disturbances. Considering the adverse effects of asymmetric and rate‐dependent hysteresis nonlinearities, a polynomial‐based rate‐dependent Prandtl‐Ishlinskii model is first developed to characterize their behaviors, and inverse model based compensation is also constructed. Furthermore, the resulting inverse compensation error is analytically given, and a novel disturbance observer with adaptive control techniques is designed to handle the bounded disturbances, including the inverse compensation error and the high‐order matched and mismatched disturbances. Comparative experiments on a multiaxis nano servo stage are finally conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed control architecture, where substantial performance improvement over existing results are achieved on various tracking scenarios.