四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究

为了检验自抗扰控制方法是否可以应用在四旋翼飞行器飞行控制系统。介绍了自抗扰控制器的原理以及基本组成。针对四旋翼飞行器低速飞行或悬停状态,提出了一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法并在仿真平台上进行稳定控制、高度控制实验,以及与PID控制系统进行对比分析实验。仿真结果表明：基于自抗扰的四旋翼飞行器控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性,本文所设计自抗扰控制器可应用在四旋翼飞行控制系统。     

推力矢量可倾转四旋翼自抗扰飞行控制方法

针对常规四旋翼难以实现位置和姿态独立控制问题,研究了一种具有全向推力矢量的可倾转四旋翼飞行器系统.为克服系统的大范围不确定性、强耦合性及外部风扰影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.通过建立风扰下的系统动力学模型,分析阵风对旋翼气动力的影响.接着将系统解耦为六通道单回路结构并分别设计自抗扰控制器,引入扩张状态观测器估计系统的内外扰动,利用非线性状态误差反馈律输出扰动补偿控制.在此基础上,通过变量代换线性化控制分配矩阵,将控制器输出直接映射到旋翼转速和倾转角.仿真结果表明,所设计的自抗扰飞行控制器具有良好的位置和姿态独立控制能力,能够有效地估计和补偿紊流风扰动,同时对系统的部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

基于深度强化学习的飞行器自抗扰控制技术北大核心

针对传统固定参数的自抗扰控制器应用在参数大范围随机快变的高速飞行器姿态控制时扰动估计精度不高,系统稳定性和控制品质较差的问题,提出一种深度强化学习的自抗扰控制方法,通过大量离线仿真交互自动学习获得扩张状态观测器参数智能调节神经网络,并在线利用网络进行参数实时调度,提高扰动的估计精度。仿真结果表明,深度强化学习的智能自抗扰控制器相比传统的固定参数自抗扰控制器具有更精准的控制精度、更强的鲁棒性,具有一定的工程实用价值。     

微型飞行器的自抗扰控制器设计

微型飞行器具有高度的非线性特性,且气动参数具有不确定性,难以建立精确的数学模型;为实现其姿态、速度、以及高度的精确鲁棒控制,基于自抗扰控制方法设计了微型飞行器速度回路和高度回路的控制器;首先建立了微型飞行器的非线性模型,然后利用扩张状态观测器对飞行器状态和气动不确定性因素进行了估计,并通过非线性反馈对模型不确定性部分和状态耦合进行补偿,实现了纵向通道的解耦控制;通过仿真对所设计的控制器进行性能验证,结果表明自抗扰控制器能够实现对微型飞行器的快速稳定控制,且不依赖于精确的飞行器数学模型,具有良好的鲁棒性。     

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。     

航天器姿态机动及稳定的自抗扰控制

针对航天器动力学参数不确定性以及系统存在外部持续干扰的问题, 提出了一种自抗扰姿态控制器的设计方法. 在为期望姿态安排过渡过程的基础上, 设计了扩张状态观测器, 对参数不确定性和外部干扰进行估计, 并实时补偿. 为抑制跟踪误差, 设计了非线性状态误差反馈律. 仿真结果表明, 该控制器不仅能很好地估计并补偿系统受到的持续干扰, 而且对航天器动力学参数的不确定性具有较强的鲁棒性, 满足航天器姿态快速机动和高稳定度的控制要求, 性能指标明显优于PD控制.     

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.     

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.     

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.     

波浪作用下船舶航向自抗扰控制设计及参数配置

针对具有内部参数不确定性和外部扰动的海上船舶设计了航向自抗扰控制器,并解决了舵机模型中舵角的限幅和限速问题,基于滑模控制理论提出了反馈控制带宽的计算方法.采用频域分析的方法,系统地分析了自抗扰控制器对外部波浪扰动的抑制能力、模型参数不确定时的鲁棒性;结合作者实船工作经验以及系统动态特性与控制参数的关系,提出了船舶航向控制器参数的配置规律;最后以一艘57000吨级散货船为控制对象,验证了航向控制器的鲁棒性和本文所述参数配置规律的有效性.为将自抗扰控制算法应用于船舶自动舵设计提供理论依据和实践参考.     

Active disturbance rejection control: Applications in aerospace

Control of uncertain dynamical systems has been an area of active research for the past several decades and to this end,various robust control approaches have been proposed in the literature. The active disturbance rejection control (ADRC) representsone prominent approach that has been widely studied and applied for designing robust controllers in diverse areas of engineeringapplications. In this work, a brief review of the approach and some of its applications in aerospace are discussed. The resultsshow that the approach possesses immense potential to offer viable solution to reallife aerospace problems.     

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.     

缸内直喷汽油机的自抗扰轨压跟踪控制器设计

获得期望的共轨压力是保证缸内直喷发动机(GDI)稳定工作和喷油量精确控制的一个重要前提. 本文针对缸内直喷汽油发动机轨压控制问题, 首先通过动力学分析建立了共轨燃油喷射系统的数学模型; 由于系统中存在有较强的非线性和不确定性, 采用基于模型但对模型的精确形式依赖较小的自抗扰控制技术设计轨压跟踪控制器,其中线性扩张状态观测器(ESO) 对系统存在的总扰动和不确定性进行了估计, 非线性误差反馈控制(NLSEF) 则采用反馈补偿实现扰动的抑制. 最后, 通过给定不同的参考轨压对控制器的有效性进行验证, 仿真结果表明控制性能是满意的.     

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.     

Active disturbance rejection control for nonlinear fractional‐order systems

This paper investigates active disturbance rejection control involving the fractional‐order tracking differentiator, the fractional‐order PID controller with compensation and the fractional‐order extended state observer for nonlinear fractional‐order systems. Firstly, the fractional‐order optimal‐time control scheme is studied to propose the fractional‐order tracking differentiator by the Hamilton function and fractional‐order optimal conditions. Secondly, the linear fractional‐order extend state observer is offered to acquire the estimated value of the sum of nonlinear functions and disturbances existing in the investigated nonlinear fractional‐order plant. For the disturbance existing in the feedback output, the effect of the disturbance is discussed to choose a reasonable parameter in fractional‐order extended state observer. Thirdly, by this observed value, the nonlinear fractional‐order plant is converted into a linear fractional‐order plant by adding the compensation in the controller. With the aid of real root boundary, complex root boundary, and imaginary boot boundary, the approximate stabilizing boundary with respect to the integral and differential coefficients is determined for the given proportional coefficient, integral order and differential order. By choosing the suitable parameters, the fractional‐order active disturbance rejection control scheme can deal with the unknown nonlinear functions and disturbances. Finally, the illustrative examples are given to verify the effectiveness of fractional‐order active disturbance rejection control scheme. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.