时滞纳米运动系统的多速率采样预测自抗扰控制

电容型纳米位置传感器在纳米伺服系统中得到了越来越多的应用.这类超高精度模拟传感器用于反馈信号时因较长的模数转换时间将带来明显的测量时滞.而这类数字纳米伺服系统也因硬件使其采样频率在处理高频干扰时受到带宽限制.本文针对测量时滞和高频干扰的挑战,提出一种带采样预测功能的多速率自抗扰控制器设计方法.首先建立了电容式位移传感器的纳米运动平台带有时滞的动力学模型.其次,基于该模型设计多率采样预测线性扩张状态观测器和多率反馈控制器.通过设计预测型观测器,适当选取观测器增益,消除时滞对状态观测的影响.另外,将输出预估器加入预测扩张状态观测器中重构采样点间系统输出值,从而在时滞系统中更好地估计和消除高频干扰,并给出了系统的稳定性分析.最后通过压电驱动纳米运动平台的实时控制实验验证本文提出控制器的有效性.     

大时滞系统的自抗扰控制

一个高阶被控对象含有几个小时常数惯性环节时,可简化成低阶时滞系统,依据这种认识,要用高阶自抗扰控制器来控制低阶大时滞对象。数值仿真结果显示了自抗扰控制器控制大时滞系统的有效性。     

自抗扰控制在HR神经元同步中的应用研究

神经元同步是生物功能得以实现的重要机制,其同步研究已经成为神经电生理学研究领域的热点和难点问题.针对神经元同步问题中同步控制律对神经元模型的依赖以及同步控制律复杂而难以实现的不足,采用不依赖于被控对象精确数学模型且实现简单的线性自抗扰控制器实现HR神经元系统的同步.自抗扰控制的核心部分-扩张状态观测器能够实时估计和补偿各种扰动,实现干扰存在时HR神经元的同步,数值仿真结果表明在自抗扰控制作用下,即使存在阶跃和正弦干扰,主、从神经元动态响应曲线仍能重合,获得良好的HR神经元同步效果.     

一类诱导时滞网络控制系统自抗扰控制器设计

针对一类具有网络时滞小于采样周期的网络控制系统提出网络控制的主要问题是网络通信系统模型的不确定性导致控制性能不佳;针对这一问题,采用基于无模型的自抗扰算法,将网络环节和被控对象一同视为控制对象,将网络时滞作为被控对象的不确定性因素,利用扩张状态观测器对不确定性因素进行实时观测估计;Matlab/TrueTime网络控制实验表明:自抗扰控制方法能够有效地减小网络诱导时滞对控制系统的影响。     

惯性串联系统的自抗扰控制

针对非线性不确定惯性串联系统的控制问题,提出了惯性串联型扩张状态观测器（Extended state observer,ESO）,使其可直接对惯性串联系统的扩张状态进行估计,同时把被控对象的极点配置到期望位置,在此基础上提出了适合惯性串联系统的自抗扰控制（Active disturbance rejection control,ADRC）方法,该惯性串联型ADRC方法可以充分利用被控对象的已有知识.论文还给出了惯性串联型ADRC和基于扰动观测器（Disturbance observer,DOB）的控制方法之间的联系,指出它们具有相同的三自由度（three-degree of freedom control,3-DOF）控制系统结构和模块功能,都能实现对系统期望模型以外的总扰动进行估计和补偿.仿真结果表明,所提出的方法是有效的,惯性串联型ESO能实现系统总扰动的估计,惯性串联型ADRC能使系统输出能很好地跟踪系统参考输入.     

凹印机套色系统的自抗扰解耦控制

无轴凹印机套色系统的运行过程中存在各种形式的扰动,且各色组的套色误差通过张力传递相互耦合,严重影响系统的套准精度,必须进行解耦和抗扰控制.本文在建立了凹印机套色系统的近似数学模型的基础上,将扩张状态观测器与前馈相结合,提出了一种新的自抗扰控制策略.把一个强耦合、大扰动、模型不确定的复杂非线性系统动态补偿为近似的二阶线性系统,降低了系统的控制难度,改善了系统的动态性能,并使系统具有自抗扰的能力.仿真结果表明,与传统的前馈控制和非线性控制相比,该算法使系统控制误差的收敛速度加快,动态响应性能更优越,实现了色组间的解耦并使系统具有良好的抗扰性能.     

时滞系统的自抗扰控制综述

时滞系统的控制一直是具有挑战性的普遍问题, 而自抗扰控制思想近年来被广泛地应用于时滞系统中. 在简要概述自抗扰控制原理的基础上, 介绍了应用自抗扰控制思想解决时滞系统问题的常用设计方法, 总结了自抗扰控制器的参数整定方法. 最后, 对今后的进一步研究进行了展望.     

基于变结构控制的二阶自抗扰控制

结合变结构控制器抗扰性能强,调节速度快和结构简单的特点,提出一种基于变结构控制器的二阶自抗扰控制器。首先,设计了系统的相轨迹和一种变结构控制律,使得系统具有更强抗扰能力和更快的调节速度。在带宽近似不变的情况下,可以通过调节参数改变系统的抗扰性和调节时间。证明了系统的稳定性,研究了变结构控制器的参数选取问题,考虑扩张状态观测器的观测误差,分析了参数选取对系统抗扰性的影响。最后,采用仿真实验测试了控制器的性能,实验结果表明,相比基于PD控制的标准自抗扰控制控制器,该控制器在调节时间、抗扰性及参数整定上均更优。     

时延系统的自抗扰动态面控制

本文针对高阶时延系统同时存在系统不确定性和未知输入时延的情况,考虑控制器信号的复杂性问题,在动态面控制方法的基础上,引入自抗扰控制技术设计了自抗扰动态面控制器.利用反步法设计动态面控制信号,采用跟踪微分器对虚拟控制信号滤波,避免了由于对虚拟控制信号重复微分产生的"复杂性爆炸"问题;在控制信号的基础上叠加扰动补偿项,补偿项由扩张状态观测器实时在线估计产生,保证了控制信号的实时性,同时简化了控制器结构以便于实际应用.在闭环系统稳定性判别中运用李雅普诺夫理论做出详细分析.最后,数值仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

一种新型控制方法—自抗扰控制技术及其工程应用综述

自抗扰控制（active disturbance rejection control,ADRC）是韩京清研究员于1998年正式提出的一种不依赖被控对象模型的新型实用技术,具有很好的工程应用前景。为了便于理论分析与工程实际应用的推广实现,高志强教授在ADRC的基础上提出易于参数整定的线性自抗扰控制（LADRC）,极大地推动了自抗扰控制理论发展与实际应用。本文简要介绍了自抗扰控制的基本思想及线性自抗扰控制的基本原理,较为系统地阐述了自抗扰控制理论的研究进展,就自抗扰控制在实际工程领域中的应用进行了分类总结,最后给出需要进一步深入研究的方向。     

A composite fractional order active disturbance rejection control method for a class of uncertain systems with multiple disturbances

The existing active disturbance rejection control (ADRC) method may not provide sufficient disturbance rejection to multiple mismatched disturbances for the fractional order systems. In this paper, a composite disturbance rejection approach is developed for a class of fractional order uncertain systems, by synthesizing the fractional order ADRC (FOADRC) approach and a disturbance observer (DO)-based compensation scheme. Taking advantage of more disturbance information and a filter structure, an improved DO is developed to achieve precise estimation of disturbances in the presence of sensor noises. In addition, a state transformation is developed to convert the system into a simple integral chain model with only matched disturbances. Then a composite control law is designed to compensate the disturbances and provide satisfying dynamic performance. The efficiency of the proposed method is demonstrated by a numerical simulation and an actual servo control simulation, as well as the comparison with two kinds of the existing ADRC methods and the commonly used integral sliding mode control (I-SMC) method.     

大时滞不确定系统的滞后时间削弱与自抗扰控制

针对具有变时滞、变参数和扰动的大时滞不确定系统的控制问题,本文提出了滞后时间削弱与自抗扰控制方法,综合应用了前馈控制、反馈控制和自抗扰补偿控制.为了提高系统的稳定性,在前馈控制器的设计中采用了系统的边界模型确定控制器参数取值范围;采用系统边界模型输出与系统实际输出的动态加权和作为反馈控制器的输入.为了提高系统控制的性能,自抗扰补偿控制回路的设计基于标称模型的补偿控制器.理论证明和仿真结果表明,所提出的方法是有效的,其在具有模型参数变化、滞后时间变化和外部扰动情况下,能保证系统的稳定性和良好的控制性能.     

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.     

Flatness-based active disturbance rejection control for linear systems with unknown time-varying coefficients

A flatness-based active disturbance rejection control approach is proposed to deal with the linear systems with unknown time-varying coefficients and external disturbances. By selecting appropriate nominal values for the parameters of the system, all the deviation between the nominal and actual dynamics of the controlled process, as well as all the external disturbances can be viewed as a total disturbance. Based on the accurately estimated total disturbance with the aid of the proposed extended state observer, a linear proportional derivative feedback control law taking into account the derivatives of the desired output is designed to eliminate the effect of the total disturbance on the system performance. Finally, the load frequency control problem of a single-area power system with non-reheated unit is employed as an illustrative example to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

Cascade active disturbance rejection control of single-rod electrohydrostatic actuator

Electrohydrostatic actuators (EHAs) are used to replace traditional centralized hydraulic systems to reduce weight and improve efficiency and maintainability. This paper proposes a cascade active disturbance rejection control (C-ADRC) method for single-rod EHAs with parametric uncertainties and severe external disturbances. The studied EHA can be transformed into a cascade connection of a first-order pressure system and a second-order position system. Two linear active disturbance rejection controllers are designed for the inner pressure system and the outer position system to estimate and compensate for various uncertainties in the two loops, respectively. The uniqueness of the C-ADRC is that the two linear active disturbance rejection controllers are designed by making full use of the measurable states and known model information of the EHA system. It is theoretically proved that the closed-loop system is semi-globally uniformly ultimately bounded. Moreover, the proposed controller can theoretically ensure position tracking with desired accuracy as the bandwidth of extended state observers (ESOs) becomes sufficiently high. Simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method.     

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.     

An approach to improve active disturbance rejection control

ABSTRACT

In order to reduce the error and phase delay of the classical extended state observer (ESO) in estimating the system state and disturbance, in this paper, we combine ESO and tracking differentiator (TD) to construct a tracking differential extended state observer (TDESO). The observation error and observation speed of TDESO are also discussed. Then a nonlinear active disturbance rejection control system improved by TDESO for a linear plant is transformed into a Lurie system. Moreover, the circular criterion is used to analyse the absolute stability of the transformed Lurie system. Finally, TDESO is optimised and an improved linear state error feedback (PLSEF) is proposed to improve the rapidity of the system by using simulation and time domain analysis. And a second-order system is used to illustrate the performance of the proposed scheme. The simulation results show that our algorithm is effective.     

桥式起重机定位防摆改进型自抗扰控制

为解决严重外界干扰下桥式起重机长距离运输过程中定位困难、消摆时间长的问题,根据起重机先加速、再匀速、后减速的远程运输特点,利用两段Sigmoid函数,设计了可按需调整各阶段速度且高阶连续的新型跟踪微分器;采用Sigmoid函数构造了增益时变且连续可微的扩张状态观测器,使其具有“大误差小增益,小误差大增益”特性,克服了经典ESO增益在切换点处的突变问题,抑制了观测信号的微分峰值现象,实现了位移和摆角控制回路间的解耦;利用tanh函数改进了误差反馈控制律,避免了大扰动下的控制量饱和问题;综合形成了适用于起重机长距离运输、且能最大程度抑制振动和冲击的改进型自抗扰控制器,并对闭环系统的稳定性进行了严格的理论证明.仿真及实验结果表明,改进型自抗扰控制器在大干扰影响下可全过程平稳且基本无摆地将负载搬运到目标位置.