基于扰动观测器和有限时间控制的永磁同步电机调速系统

针对采用矢量控制的永磁同步电机调速系统提出一种复合控制方法:首先用扰动观测器观测出系统中由于模型参数变化,负载改变等产生的扰动,并用此观测值作为前馈量补偿到输入端;然后运用有限时间控制方法设计系统前向通道中的反馈控制器;最后给出了控制器参数与速度误差收敛性能之间的数学关系.仿真表明,基于扰动观测器的有限时间控制具有更好的抗扰动性能和更优越的收敛性能.

     

基于扩张状态观测器和有限时间控制的感应电机直接转矩控制

对感应电机直接转矩控制系统中存在的干扰,本文结合扩张状态观测器(ESO)和有限时间控制(FTC)提出一种复合控制方法来提高系统的抗干扰能力.首先采用扩张状态观测器估算系统的扰动,用此观测值作为前馈量补偿到输入端;然后运用连续有限时间控制方法设计系统前向通道中的反馈控制器.文中对控制器的稳定性进行了证明.与传统的PI控制以及P+ESO控制方法进行仿真与实验结果比较,验证了方法的有效性.     

基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制

水厂絮凝沉淀过程具有强非线性、不确定性和参数时变等特点,并且原水水质和水量突变等扰动容易对絮凝沉淀过程造成不利影响.本文提出了一种基于有限时间扰动观测器的加矾系统二阶滑模控制设计方法.首先,文章采用带有非光滑项的二阶滑模控制方法设计加矾系统反馈控制;然后,文章设计有限时间扰动观测器对原水水质和水量突变等扰动,以及絮凝沉淀过程强非线性、不确定性和参数时变等导致的模型不匹配进行估计,估计结果作为前馈补偿与反馈控制相结合;最后,理论分析证明了基于有限时间扰动观测器的二阶滑模控制方法的稳定性.仿真结果表明,本文所提出的复合控制方法有效提升了加矾系统的鲁棒性和抗扰动性能.     

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.     

基于扩张状态观测器的二质量系统非奇异快速终端滑模控制

针对含未知负载信息的二质量伺服系统,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的非奇异快速终端滑模控制方法.首先,利用电机侧位置信息设计有限时间扩张状态观测器估计系统的扰动,并将估计值融入到控制器中作为前馈项对系统的未知扰动进行补偿;然后,引入一种新型的滑模趋近律,该趋近律能够避免传统滑模控制中存在的奇异性问题,据此设计非奇异快速终端滑模控制器,保证系统状态在有限时间内收敛到原点,并根据李雅普诺夫稳定性理论分析闭环系统的稳定性;最后,通过仿真和实验验证所提出方法的优越性.结果表明,与传统的PID等控制相比较,所提出的基于扩张状态观测器的有限时间滑模控制方法能够提高系统的跟踪性能,并有效增强二质量伺服系统的抗扰动能力.     

基于学习观测器的航天器指定时间跟踪控制

针对一类含有外部扰动和执行器故障的刚体航天器姿态控制系统,提出一种基于自适应学习观测器的指定时间容错控制器的设计方案.首先,系统性地给出一种改进型自适应学习观测器设计方案,基于自适应学习观测器框架,设计航天器姿态系统的学习观测器实现对系统的综合扰动值估计;然后,利用综合扰动的估计信息和滑模控制理论设计指定时间容错跟踪控制器,使得系统的姿态角能够在指定时间跟踪指令信号,系统的收敛时间可通过容错控制器的参数预先设置,且与系统的初始状态值无关;接着,基于Lyapunov稳定性理论验证含有故障的姿态控制系统能够在指定时间内稳定;最后,通过数值仿真,与已有的观测器和有限时间控制方案进行对比,表明所提出方案的有效性和可行性.     

基于有限时间输出反馈的线性扩张状态观测器

为快速、准确地观测系统中的未知扰动及状态, 提出一种有限时间线性扩张状态观测器(Finite-time linear extended state observer, FT-LESO), 它具有期望的收敛性能且结构简单、易于设计. 假设系统的状态无法量测, 观测器设计问题转化为扰动下的输出反馈控制问题. 针对该问题, 提出一种扰动下的有限时间线性输出反馈控制方法, 得到控制器参数与闭环系统状态向量2-范数间的解析关系. 在此基础上, 提出有限时间线性扩张状态观测器, 得到观测器参数与观测误差收敛速度及稳态观测误差间的解析关系, 给出一充分条件保证观测误差有限时间有界、且能以不低于指数收敛的速度收敛到给定范围内, 为观测器参数设计提供理论依据. 通过数值仿真验证提出的观测器, 仿真结果与理论分析相符, 提出的观测器是有效的.     

事件触发策略下多AUV抗干扰固定时间编队控制

针对多AUV编队控制的模型参数不确定及未知海流干扰的问题, 提出基于固定时间模糊干扰观测器的事 件触发编队控制方法, 该方法可保证编队控制在固定时间内收敛. 首先, 构造了固定时间模糊干扰观测器处理系统 的集总扰动, 实现固定时间内对扰动的精确估计. 在扰动观测器的基础上, 将指令滤波器与反步法结合, 消除了多次 求导产生的计算爆炸问题; 其次, 为了降低网络传输资源能耗, 将事件触发机制引入多AUV编队控制中, 设计具有 固定时间收敛性能的分布式编队控制器, 且系统收敛时间仅取决于控制器设计参数, 并经理论证明无Zeno行为; 最 后通过多AUVs编队仿真实验, 证明了所提出算法的有效性和合理性.     

新趋近律的直流微电网母线电压滑模控制设计

随着直流微电网技术的快速发展,直流微电网中母线电压的稳定性控制作为直流微电网正常平稳运行的关键,也成为了研究热点之一;针对直流微电网母线电压外环易受参数摄动和负荷扰动的影响,提出了一种扩张状态扰动观测器ESO(Extend state observer)与新型趋近律的滑模控制器NRSMC(New reaching law sliding mode control)相结合的复合控制器ESO-NRSMC;该控制器采用了一种新型趋近律方法来解决抖振现象与滑模面趋近时间之间的矛盾;同时扩张状态观测器将观测到的扰动值补偿到滑模控制器中,进一步提高控制器的抗扰动能力;还构造了Lyapunov函数来验证所设计的母线电压外环闭环控制系统的稳定性;最后通过仿真证明控制器ESO-NRSMC在微电网系统参数发生变化以及负载扰动的情况下,依然能够实现对直流微电网母线电压的稳定控制,具有较强的优越性和鲁棒性能。     

角速度约束下的刚体飞行器鲁棒有限时间姿态镇定

针对角速度状态受限条件下的刚体飞行器姿态镇定控制问题,提出一种基于扰动观测器的时变状态增益有限时间姿态控制方法.针对基于修正型罗德里格斯参数(MRPs)描述的刚体飞行器姿态控制模型,首先,利用齐次性理论并充分考虑到系统的模型结构特点,设计一种带有角速度约束项的有限时间姿态控制器,使得系统有限时间镇定;其次,在初始状态满足受限条件的情况下,角速度在任意时刻都可以被约束在期望的范围内;然后,针对存在外部干扰的姿态环动力学系统,提出一种带扰动估计补偿的复合有限时间姿态镇定控制器;最后,通过与其他两种控制方法的仿真比较,验证了所提出控制方案的有效性和优越性.     

容错逆变器驱动的PMSM双环预测控制的研究

为了提高三相四开关容错逆变器驱动的永磁同步电机调速系统的性能,提出了调速系统双闭环预测控制策略。在转速环中设计了带扰动补偿的模型预测控制方法,通过离散扰动观测器估计负载扰动并进行前馈补偿,与模型预测速度控制相结合得到[q]轴电流环的期望给定值。在电流环中设计了基于离散滑模的有限控制集模型预测控制方法。通过与传统PI、FCS-MPC方法进行仿真对比,验证了该方法在空载启动、给定转速突变以及存在负载扰动、参数变化时,可使容错逆变器驱动的永磁同步电机调速系统具有更好的动态响应能力和鲁棒性。     

一种新型基础控制器的介绍

针对超临界机组汽温控制过程中的大延迟、大惯性问题,通过—种近似滑动窗滤波器(approximate sliding window filter,ASWF)构造出高性能PI控制器(high performance proportion integration,HPPI)和超前观测器(high performance leading observer,HPLO)。将HPPI用于大延迟、大惯性过程控制,能够更有效地提高跟踪常值扰动的效率,更好地消除系统稳态偏差。HPL0能够提前获取系统响应的信息,极大提高过程控制的性能。动静态分开作用的微分前馈策略可以解决大幅变负荷过程中微分前馈的扰动问题,优化汽温调节系统的动态特性。通过仿真试验和实际应用,有效验证了NFC和微分前馈策略的有效性。     

自抗扰控制对具边界扰动和区间内反阻尼的波动方程的镇定

本文讨论边界具有外部扰动和区域内具有反阻尼的一维波动方程的的镇定问题. 主要的方法是后退反演变换和自抗扰控制方法. 即通过扩张状态观测器将扰动在线估计并在反馈控制中实时消除. 本文在扩张状态观测器中使用了两种增益调整策略——常数高增益与时变增益. 为避免常数高增益带来的峰值问题, 在控制环节中使用了饱和方法. 时变的增益可以在很大程度上减少扩张状态观测器中由于常数高增益引起的峰值问题同时可以达到完全消除干扰的镇定效果.     

采用固定时间观测器的翼伞控制方法与应用

针对翼伞–火箭一子级柔性结构系统的控制难题,提出了一种采用固定时间观测器的改进矢量场轨迹跟踪控制方法.首先,设计了在线风场估计方法对未知风场进行了估计;其次,为了保证该控制系统在气动参数不确定、子系统铰连耦合等因素影响下的快速稳定性,提出了一种固定时间干扰观测器用来估计无需知道干扰上边界的复合干扰,并用于补偿控制系统的输入;然后,设计了一个同时保证侧偏距、偏航角以及偏航角速率稳定的横侧向控制器,并利用Lyapunov理论证明了闭环翼伞控制系统的收敛特性.最后,通过数值仿真及硬件在环实验验证了所提出方法的有效性及应用价值.     

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.     

Discrete Adaptive Sliding Mode Control of a State-Space System with a Bounded Disturbance

This paper presents the discrete adaptive sliding mode control of a state-space system in the presence of a bounded disturbance. The delta form of the discrete state-space model is used as it closely resembles that of the continuous model. The control law takes into account of the effect of the disturbance by using its approximate value. The system behavior in the vicinity of the sliding surface is studied. It is shown that the adaptive controller leads to a stable closed-loop system. Also, simulation results are presented to illustrate the features of the proposed adaptive control strategy.     

高动态离心机系统的自抗扰控制设计

针对传统PID在控制高速精密离心机系统时难以满足其高动态过程的要求,对系统目标过渡过程进行安排并设计了自抗扰控制器.所提出的自抗扰控制器包括3个部分:跟踪微分器、扩张状态观测器和误差反馈控制器.由于离心机在启动和制动阶段,系统状态会经历一个快速变化的过程,所以在离心机系统动态变化阶段采用跟踪微分器对目标函数进行过渡过程安排,防止系统出现过大超调;并且设计了扩张状态观测器对系统未知干扰进行估计和补偿;补偿后采用误差反馈控制器实现离心机系统高动态过程的跟踪控制.最后通过对自抗扰控制进行参数整定,使得系统满足所提出的各项性能指标要求.仿真结果验证了相比于传统PID控制,所提出的自抗扰控制器在超调量,调节时间以及稳态控制精度等性能指标上具有优越性.     

连续搅拌釜式反应器的自耦比例–积分–微分控制

针对一类参数不确定的连续搅拌釜式反应器,使用了一种与被控对象无关的自耦比例–积分–微分(autocoupling proportional-integral-differential, ACPID)控制方法.该方法将系统内部所有不确定因素及外部扰动定义为一个总扰动,建立了以总扰动为激励的受控误差系统,并根据ACPID镇定规则建立了连续搅拌釜式反应器(continuous stirred tank reactor, CSTR)的ACPID控制系统.理论分析了ACPID控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性.仿真结果表明了ACPID控制系统的有效性,在CSTR稳态调节控制领域具有重要的应用价值.     

Model predictive control with adaptive disturbance prediction and its application to fatty acid distillation column control

This paper describes the results of a joint university-industry study to control a fatty acid distillation sequence, which is plagued with severe disturbance problems. In order to solve the disturbance problem, a model predictive control algorithm is modified in terms of disturbance prediction. Assuming that the dynamics of the unmeasured disturbances is generated by an auto-regressive form, the dynamics of the disturbance can be adaptively identified by using time series data of prediction errors and inputs. Using an identified disturbance model with a process model, future outputs are predicted. Control actions are determined so that the predicted output is as close to the target value as possible. This modified model predictive control aglorithm is applied to a ratio control scheme for three distillation columns. The control system developed has been in use sucessfully for more than six years to produce commercial products.     

不同重力环境的空间机械臂自抗扰轨迹跟踪控制

针对空间机械臂在地面装调与空间应用时,由于重力环境变化导致机械臂模型发生变化的问题,提出了一种自抗扰控制算法,用于完成空间机械臂轨迹跟踪控制的任务.该算法通过将系统模型及未知外扰作为系统的总和扰动,并利用扩张状态观测器对该扰动进行观测且给予补偿,从而提高了系统抗扰的性能.当机械臂模型随重力环境变化而发生变化时,使用同一个自抗扰控制器对其末端轨迹进行控制,均能取得较好的控制效果.通过对系统的稳定性进行分析,证明了所设计控制器的有效性.将仿真结果与PD控制及自适应鲁棒控制做比较,结果表明该控制算法不仅能适应机械臂模型的变化而且还能有效抵抗系统的扰动,从而使系统具有较强的鲁棒性.