实用自抗扰控制在大时滞厚度自动监控系统中的应用

针对热连轧监控AGC(自动厚度控制)大时滞系统具有不确定和干扰因素多等特点, 采用线性降阶模型及参数优化设计, 提出一种实用自抗扰控制(ADRC)控制方案, 以满足简单、实用、好调、节能等工业界的要求. 通过对被控对象和状态观测器的降阶, 使得系统总扰动(内部不确定性、外部扰动) 的实时估计由一个仅为一阶的扩张状态观测器就可实现. 为了把所设计的实用ADRC与常规ADRC、常规Smith预估器和PID控制器进行公平比较, 各控制器的最佳参数均采用变尺度混沌优化方法得到. 仿真结果表明, 两种ADRC的抗扰性和鲁棒性优于常规的Smith预估器和PID控制器. 与常规ADRC相比, 实用ADRC的可调参数大大减少, 能耗指标也明显降低, 为下一步的工程实现提供了途径.     

Active Disturbance Rejection Control for Uncertain Nonlinear Systems With Sporadic Measurements

This paper deals with the problem of active disturbance rejection control (ADRC) design for a class of uncertain nonlinear systems with sporadic measurements. A novel extended state observer (ESO) is designed in a cascade form consisting of a continuous time estimator, a continuous observation error predictor, and a reset compensator. The proposed ESO estimates not only the system state but also the total uncertainty, which may include the effects of the external perturbation, the parametric uncertainty, and the unknown nonlinear dynamics. Such a reset compensator, whose state is reset to zero whenever a new measurement arrives, is used to calibrate the predictor. Due to the cascade structure, the resulting error dynamics system is presented in a non-hybrid form, and accordingly, analyzed in a general sampled-data system framework. Based on the output of the ESO, a continuous ADRC law is then developed. The convergence of the resulting closed-loop system is proved under given conditions. Two numerical simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control method.      

抗扰控制中的不变性原理

不变性原理是抗扰控制理论的基本原理,抗扰性能是不变性原理的外在表现.本文对双通道扰动补偿控制、内模控制、基于扰动观测器的控制和自抗扰控制中的不变性原理进行分析;给出了这些抗扰控制方法之间的内在联系;指出自抗扰控制为内含由两种不变性实现的三自由度结构.自抗扰控制采用总扰动的估计和补偿实现了广义被控对象的动态模型的不变性;采用状态误差反馈控制率实现了准滑动模控制,从而进一步实现对扰动的不变性.按照不变性原理可以更好地把握抗扰控制的本质、简化控制思想的描述和指导工程实践.     

无人直升机航向自抗扰控制

针对无人直升机系统航向通道扰动大等问题,本文设计了一种自抗扰控制算法来实现其高性能控制.首先分析了航向通道的动态模型,并通过数学变换,将其转化为一类二阶系统;在此基础上,本文设计了适用于无人机航向通道的自抗扰控制策略,它由跟踪微分器、扩展状态观测器、控制器3个环节构成.本文对所设计的自抗扰控制策略进行了仿真和实验测试,并与常见的串级控制方法进行了对比分析.仿真与实验结果表明:这种自抗扰控制策略具有对扰动抑制能力强、控制精度高等优点,其控制性能明显优于常规的串级比例–积分–微分控制方法.     

基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计

针对四旋翼无人机强耦合、非线性的控制难点,研究设计了一种基于自抗扰控制和比例微分控制的双闭环控制器。首先,分析了小型四旋翼飞行器动力学模型,确定四旋翼无人机的六自由度方程。然后,利用自抗扰控制技术对强耦合、非线性的姿态模型进行了解耦,设计扩张状态观测器对其总扰动进行观测与补偿。其次,设计比例微分控制器对解耦后的系统进行位置跟踪,从而与姿态控制器组成双闭环系统。最后,通过仿真及试飞实验测试系统性能。仿真和试飞结果表明该系统能够完成对控制指令的实时跟踪,并且对干扰具有极强的抑制力。     

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.     

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.     

线性扩张状态观测器及其高阶形式的性能分析

扩张状态观测器(ESO)作为自抗扰控制(ADRC)的核心组件,其自身及高阶扩展形式的性能分析与评估至关重要.借助Lyapunov逆定理证明了任意扩张阶数下线性扩张状态观测器(LESO)重构状态误差的收敛性,并得出了观测误差上界与扩张阶数的定量关系式;在分别考虑扩张阶数、观测器带宽以及剪切频率的情况下,探讨了高阶及传统LESO的动态响应、干扰抑制能力与观测器参数间的关系;最后,结合改进的ADRC控制器,在估计能力、峰值现象的抑制、滤噪性能等方面对高阶及传统LESO进行了性能评估与仿真验证.所得出的结论可为ADRC应用中ESO的选取提供有效的理论依据.     

Altitude control for flexible wing unmanned aerial vehicle based on active disturbance rejection control and feedforward compensation

For achieving the accurate trajectory tracking of the flexible wing unmanned aerial vehicle in the complicated missions, especially the vertical component, a feedforward compensation unit–based active disturbance rejection control (ADRC) is proposed. In ADRC, the internal dynamics and complicated influence of the total disturbance will be estimated and dynamically compensated by extended state observer (ESO). It puts a very high request on the observation ability of ESO with the unpredictable external disturbance, complex internal coupling influence, and the strong nonlinear characteristic of the proposed system. For this reason, by deeply analyzing the model of this system, the varying attitude influence on the altitude control will be deduced. Then, this influence will be compensated previously by a feedforward compensation unit. Through the previous compensation of the calculable part of the internal dynamics and total disturbance, the burden of ESO can be reduced largely. In this way, it improves the control effect of the ADRC with better observation precision of ESO. After that, based on the hardware‐in‐the‐loop simulation, the effectiveness of the proposed method is verified completely with the complicated flight missions. The robustness of the control effect and observation ability of ESO are also verified by the Monte Carlo simulation. At last, the results of actual flight experiment prove the advancement and practicability of the proposed ADRC method.     

基于模糊自适应ADRC的全垫升气垫船航向控制

为改善全垫升气垫船航向控制,设计了基于模糊自适应自抗扰控制(ADRC)的全垫升气垫船航向控制器.一方面利用扩张状态观测器估计内、外扰动,并且根据总扰动估计量对系统进行补偿;另一方面利用模糊推理实时优化ADRC控制参数.仿真结果表明,在恶劣环境下基于模糊自适应ADRC的全垫升气垫船航向控制器具有自适应性强,响应速度快,稳定性好等特点.