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.     

运动平台上光电跟踪系统的自抗扰控制器设计

针对运动平台上光电跟踪系统既要有很强的抗扰动性能,又要能快速跟踪运动目标的特点,设计了稳定平台的自抗扰控制器.通过对闭环带宽的分析,改进了自抗扰控制器的结构,使闭环系统有较高的带宽.设计了扩张状态观测器对平台的扰动进行观测、补偿,并分析了系统鲁棒稳定性对扩张状态观测器的限制条件.实验结果显示,与采用PI控制相比,自抗扰控制器的稳定跟踪能力和扰动抑制能力都有一定的提高.其中,对阶跃信号的稳态跟踪误差不到PI的一半,而在2Hz附近扰动抑制比有6dB的提高.     

基于无源性的全方位移动机器人自抗扰控制

针对全方位移动机器人轨迹跟踪控制中存在的外界干扰和系统参数不确定性问题,提出基于无源性的自抗扰控制方法.该方法通过扩张状态观测器对系统扰动进行估计,并在基于无源性的控制器中加入扰动补偿项以减小外界干扰和参数不确定性对系统的影响;进而,利用系统的无源特性和Lyapunov 理论证明在该控制器作用下闭环系统有界输入有界输出稳定.仿真结果表明,所提出的控制方法响应速度较快,控制精度较高,对系统外扰和模型参数不确定性具有较强的鲁棒性     

内模控制框架下时延系统扩张状态观测器参数整定

作为一种有效的控制设计方法, 自抗扰控制研究获得了广泛关注, 然而针对自抗扰控制器的参数整定方法则相对较少. 本文针对一阶惯性加延迟系统, 将线性自抗扰控制转化为内模控制结构, 导出了其中控制器、滤波器、乘性不确定性、互补灵敏度函数的对应表达式, 随后, 利用频域鲁棒稳定性判据, 分析了自抗扰控制器核心—–扩张状态观测器的参数对闭环系统稳定性的影响. 基于该分析, 总结出一阶惯性加延迟系统扩张状态观测器的两条参数整定准则. 数值仿真结果验证了该整定准则的有效性.     

线性自抗扰控制的对偶性分析EI北大核心CSCD

本文对线性自抗扰控制的结构进行了分析,证明了线性自抗扰控制结构实际上是一种基于观测器的比例–积分–微分(PID)结构的对偶.该结构中状态反馈就是常规(高阶)PID控制,而PID控制中输出的积分和各阶导数由一不依赖于模型的扩张观测器获得.这种对偶性表明PID控制和线性自抗扰控制采用了同一个标准系统作为被控对象,但从不同的角度进行处理.理论及仿真表明,线性自抗扰控制是常规PID控制的扩展,克服了常规PID控制受测量噪声影响的问题,为高阶PID的应用提供了实际可行的实现.     

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.     

基于串级ADRC的飞行器控制器设计与扰动估计

针对四旋翼飞行器的不确定性和外界环境干扰等问题,设计串级自抗扰控制器。在分析飞行器动力学模型的基础上,利用非线性自抗扰对姿态环(内环)进行解耦,同时对位置环（外环）设计线性自抗扰控制器,组成双闭环系统。设计扩张观测器对内外环的总扰动进行估计与补偿,通过仿真平台利用定点悬停实验对所设计的控制器进行验证,并与PD ADRC串级控制器进行对比分析,结果表明,所设计的控制器跟踪速度较快,抗扰能力较强。     

不确定非仿射系统的引入动态逆的自抗扰控制器设计

针对一类不确定非仿射严反馈非线性系统, 提出一种引入动态逆的线性自抗扰控制器设计方法. 首先, 利 用微分同胚映射将严反馈非线性系统变换为积分串联型系统, 然后针对积分串联型系统设计线性自抗扰控制器. 提出的线性自抗扰控制器将闭环系统划分为3个时间尺度, 其中线性扩张状态观测器位于最快的时间尺度上, 用来 估计系统的状态和总和扰动, 动态逆位于次快的时间尺度上用以求解非仿射情况下的控制律, 系统动态位于最慢的 时间尺度上. 利用奇异摄动理论分析了闭环系统的稳定性和性能. 提出的自抗扰控制设计方法同样适用于控制增 益不确定的仿射非线性系统. 仿真和实验结果验证了提出的线性自抗扰控制器的可行性.     

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.     

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.     

基于参考模型的扰动观测器控制系统

为了补偿控制系统的未知动态和外部扰动,论文提出一种基于参考模型的扰动观测器控制系统.首先,分析了二阶理想参考模型控制系统的设计,并通过闭环传递函数证明了参考模型控制系统的稳定性.然后,设计了二阶系统扰动观测器和基于参考模型的扰动观测器控制律,分析了二阶闭环控制误差系统收敛性.并推广到n阶控制系统,证明了n阶闭环控制误差系统稳定性.最后,仿真实验结果表明,与线性自抗扰控制(LADRC)系统相比,基于参考模型的扰动观测器控制系统阶跃响应的跟踪精度和抗扰性能明显优于LADRC系统,扰动的估计精度高,控制输入量小于LADRC系统;基于参考模型的扰动观测器控制系统正弦跟踪精度和扰动的估计精度也高于LADRC系统.该新型控制系统结构简单,抗扰性能好,控制效率高,具有重要的工程应用价值.     

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.     

二阶系统线性自抗扰控制器频带特性与参数配置研究

本文从频域分析方法入手, 基于线性自抗扰控制器的闭环传递函数和频带特性曲线, 系统地分析了扩张状态观测器的跟踪估计能力和自抗扰控制器的稳定性、对外部扰动的抑制能力、对控制输入增益不确定性和模型参数不确定性的鲁棒性及其噪声传递特性, 探讨了系统动态特性与控制参数的关系; 在此基础上提出了控制参数的工程配置方法, 最后将其应用于某高精度武器控制系统, 验证该方法的有效性. 此外, 本文还分析了自抗扰控制器工程应用中的超调现象、控制量深度饱和以及前置滤波器设计等问题, 为工程设计提供理论依据和实践参考.     

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.     

含有非匹配干扰和未知动态的非仿射系统滑模控制算法

针对含有非匹配干扰和未知动态的非仿射系统控制问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进滑模控制(SMC)方案.本文首先利用扩张状态观测器,将原系统转变为一个包含干扰的二阶积分级联系统,使含有未知动态的非仿射系统控制器设计问题转化为二阶积分级联系统的控制器设计问题,从而使得控制器在设计过程中不需要对对象模型完全已知.为了改善ESO的瞬态性能,提出了一种含有预设性能函数(PPF)的改进ESO,利用PPF对估计误差进行约束,抑制ESO收敛过程中的振荡和超调.其次,提出了一种带有修正项的改进滑模面,在降低ESO估计误差所带来的非匹配干扰影响的同时,也提高控制系统的收敛速度和跟踪精度.仿真算例表明,所提的改进ESO能够更快收敛,振荡次数显著减少,改进的滑模控制能够处理非匹配干扰的影响,并获得更快的收敛速度以及更高的跟踪精度.     

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.     

Dual closed‐loop tracking control for wheeled mobile robots via active disturbance rejection control and model predictive control

A dual closed‐loop tracking control is proposed for a wheeled mobile robot based on active disturbance rejection control (ADRC) and model predictive control (MPC). In the inner loop system, the ADRC scheme with an extended state observer (ESO) is proposed to estimate and compensate external disturbances. In the outer loop system, the MPC strategy is developed to generate a desired velocity for the inner loop dynamic system subject to a diamond‐shaped input constraint. Both effectiveness and stability analysis are given for the ESO and the dual closed‐loop system, respectively. Simulation results demonstrate the performances of the proposed control scheme.     

An integrated approach to hypersonic entry attitude control

This paper presents an integrated approach based on dynamic inversion(DI)and active disturbance rejection control(ADRC)to the entry attitude control of a generic hypersonic vehicle(GHV).DI is frstly used to cancel the nonlinearities of the GHV entry model to construct a basic attitude controller.To enhance the control performance and system robustness to inevitable disturbances,ADRC techniques,including the arranged transient process(ATP),nonlinear feedback(NF),and most importantly the extended state observer(ESO),are integrated with the basic DI controller.As one primary task,the stability and estimation error of the second-order nonlinear ESO are analyzed from a brand new perspective:the nonlinear ESO is treated as a specifc form of forced Li′enard system.Abundant qualitative properties of the Li′enard system are utilized to yield comprehensive theorems on nonlinear ESO solution behaviors,such as the boundedness,convergence,and existence of periodic solutions.Phase portraits of ESO estimation error dynamics are given to validate our analysis.At last,three groups of simulations,including comparative simulations with modeling errors,Monte Carlo runs with parametric uncertainties,and a six degrees-of-freedom reference entry trajectory tracking are executed,which demonstrate the superiority of the proposed integrated controller over the basic DI controller.     

Active disturbance rejection control approach to stabilization of lower triangular systems with uncertainty

In this paper, we apply the active disturbance rejection control (ADRC) to stabilization for lower triangular nonlinear systems with large uncertainties. We first design an extended state observer (ESO) to estimate the state and the uncertainty, in real time, simultaneously. The constant gain and the time‐varying gain are used in ESO design separately. The uncertainty is then compensated in the feedback loop. The practical stability for the closed‐loop system with constant gain ESO and the asymptotic stability with time‐varying gain ESO are proven. The constant gain ESO can deal with larger class of nonlinear systems but causes the peaking value near the initial stage that can be reduced significantly by time‐varying gain ESO. The nature of estimation/cancelation makes the ADRC very different from high‐gain control where the high gain is used in both observer and feedback. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.