一类轻载电液位置伺服系统线性自抗扰控制

为解决一类轻载电液位置伺服系统线性自抗扰控制器设计过程中面临的阶次选择问题,本文从系统特性、频域等角度,分析自抗扰框架中“积分器串联结构”与轻载电液位置伺服系统之间的内在联系,得到轻载电液位置伺服系统在自抗扰控制框架下是本质“一阶”系统的结论,从而合理设计了1阶线性自抗扰控制器.在此基础上,提出了有效的控制器参数整定方法,并分析了闭环系统的稳定性.仿真和试验结果表明,与高阶相比1阶线性自抗扰控制器可以更好地控制动态过程较快、负载较轻的惯性负载电液位置伺服系统,为自抗扰控制在液压伺服领域的工程应用提供了参考.     

基于最小拍观测器的自抗扰控制器设计与性能分析

自抗扰控制器设计中,扩张状态观测器需要较高的观测带宽,才能更快的观测出状态变量.本文采用最小拍观测器,使得其具有最快的观测速度.以2阶系统为例,得到了离散系统下,基于最小拍观测器的自抗扰控制器的等价复合控制模型,其开环补偿器等价为超前校正器.仿真结果表明,基于最小拍观测器的自抗扰控制器可以最快的观测出系统状态变量,且控制器带宽的选取一般应小于采样周期的倒数.由于不再需要设计观测器带宽,从而简化了参数设计.     

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.     

共轴八旋翼无人飞行器的偏航静态抗饱和补偿控制

设计了一种共轴八旋翼无人飞行器,与四旋翼飞行器相比,其具有更大的驱动能力、更强的带载能力和一定的冗余能力．首先,建立了飞行器的动力学模型．针对共轴八旋翼飞行器偏航运动能力比俯仰、滚转运动能力弱,偏航容易出现执行器饱和现象的问题,从实际工程出发提出了基于线性自抗扰控制器的静态抗饱和补偿器．线性自抗扰算法易于工程调节,能够实时估计与补偿外界扰动．静态抗饱和补偿器不增加系统阶次,有效抑制偏航执行器饱和．利用李亚普诺夫稳定理论证明了基于线性自抗扰控制器的静态抗饱和偏航控制系统的稳定性．最后,通过共轴八旋翼飞行器的仿真实验与原型机比较实验验证了算法的有效性与鲁棒性．原型机实验结果表明：在室内固定干扰下,执行器退出饱和的最长时间约为4 s,偏航角误差收敛到±0.085 rad;在室外变干扰下,执行器退出饱和的最长时间约为9 s,偏航角误差收敛到±0.127 rad．基于线性自抗扰控制器的静态抗饱和补偿器在外界干扰情况下能够有效地抑制执行器饱和,具有良好的偏航控制性能与强鲁棒性．     

线性自抗扰控制的适用性及整定

线性自抗扰控制将被控对象看成串级积分系统,把其他信息都当成不确定性.这种处理方法简单,但是对什么样的系统有效,目前还没有理论给出确定的答案.本文证明任何带有积分行为的严格正则传递函数都可以由线性自抗扰控制的反馈控制器等价实现,从而表明线性自抗扰控制具有广泛的适用性,即只要其他线性控制方法能够控制的系统,线性自抗扰控制同样可以适用.为简化线性自抗扰控制器参数整定,本文针对工业过程中广泛存在的PID控制器,提出将PID参数转化为二阶自抗扰控制参数的方法.该方法转化的线性自抗扰参数以带宽形式表示,从而保留了传统线性自抗扰简单易调的特性,为线性自抗扰控制在工业过程的应用准备了基础.     

线性自抗扰控制参数整定鲁棒性的根轨迹分析

从极点配置和根轨迹的角度研究了二阶线性定常对象的线性自抗扰控制.提出一个新传递函数框图.基于该框图,将线性自抗扰控制的参数整定解释为闭环极点配置问题,控制器带宽、观测器带宽等参数的整定被看作开环极、零点位置的选择.建议用根轨迹法研究线性自抗扰控制的鲁棒性.通过分析根轨迹定性说明了观测器带宽可以等于控制器带宽,以及线性自抗扰控制对被控对象参数变化的鲁棒性.     

分数阶控制系统稳定性分析与控制器设计:扩展频率域法

鉴于整数阶控制系统主要进行正频域分析,本文论述了分数阶控制系统的扩展频域方法.它通过对分数阶系统传递函数的基本分解获得系统频率特性曲线,此过程是唯一和可逆的.本文根据扩展频域分析法扩展了Nyquist稳定性判据,得到能够直观判断任意阶控制系统稳定性的通用判据.另外,扩展频域分析法为分数阶控制器提供了便于设计的直观形式,文章提供了具有新结构的超前滞后补偿器和分数阶P(ID)μ控制器的设计步骤.最后举例用扩展频域法对分数阶系统进行稳定性分析和超前滞后补偿器的综合.     

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.     

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.     

基于高阶控制器设计的线性自抗扰控制参数调整

将反馈控制器/扩张状态观测器闭环极点配置在同一位置是线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection control,LADRC)最常用的整定方法.该方法只需调整两个参数,在工程应用上极为方便.但是,由于极点配置在同一位置的限制,整定的LADRC可能达不到期望的性能.本文提出以现有控制器参数为基础的LADRC调参方法.该方法以现有控制器参数为基础,通过降阶及逼近,保证LADRC控制能接近现有控制系统的性能.仿真设计表明采用高阶控制器设计的LADRC可以取得与原有控制系统相当的控制性能.该方法不受带宽法调参的需使反馈控制器及扩张观测器极点配置在同一位置的限制,因此可以期望获得比带宽法更好的性能.同时,该方法为已经熟悉掌握其他控制器设计方法的工程控制人员提供了一种便捷的调整线性自抗扰控制参数的方案,具有较好的应用价值.     

直线型倒立摆的自抗扰控制设计方案

对直线型倒立摆系统,采用自抗扰控制技术来设计控制方案.对于这样的单输入双输出、强非线性、强耦合的不稳定系统,在原自抗扰控制算法的基础上,通过增加一个跟踪微分器和控制律由两个被控量的误差组合构成的方法,突破了原有的自抗扰控制算法只适用于单输入单输出系统的限制,实现了摆的偏角和小台车位移的良好控制效果,数字仿真结果证实了这种方法的有效性.     

基于改进ADRC的PMSM无位置传感器转速控制

永磁同步电机(PMSM)是一个非线性、多变量、强耦合系统,具有不确定的外部干扰。为了提高对其转速控制精度,采用改进自抗扰控制代替传统自抗扰控制(ADRC)。通过插值法构建一个新的函数来代替ADRC中原有的最优控制函数,并用线性误差反馈控制率代替非线性误差反馈控制率(NLSEF)以此来降低调参难度。同时建立基于脉振高频注入法和滑模观测器法的位置辨识系统,以满足PMSM转子位置的辨识精度要求。仿真结果表明,改进ADRC能够在无位置传感器控制方法中取得较好的控制效果,转子位置估计的误差小于0.002rad,转速估计误差小于0.02rad/min,转速超调量小于4%,最大振荡不超过60rad/min,与传统ADRC控制器相比系统抗扰动性更强,电机位置和速度辨识效果也更优。 关键词：自抗扰控制;无位置传感器;永磁同步电机     

A fast and efficient digital simulation technique for control systems

The new simulation technique uses a digital compensator in the forward path immediately after the error detector in a typical closed loop system. This compensator contains two parameters which can be tuned to obtain very accurate results. This technique was used on a second order closed loop system with a non linear element in the forward path. The results show great improvement over the substitution methods (Halijak and Tustin). When another compensator was introduced in the feedback path, the results are comparable to the highly accurate T-integrator method.     

基于免疫优化的平面Acrobot线性自抗扰鲁棒镇定

针对受不确定性影响的平面Acrobot机器人,提出一种基于免疫优化的线性自抗扰鲁棒控制设计方法,实现机器人末端点从任意初始位置到达并镇定在目标位置.首先,借助驱动关节与被动关节角度之间的状态约束获取机器人末端点位置与驱动关节角度的对应关系,使末端点的位置控制转换为驱动关节的角度控制;其次,为缩短运动路径加入最小角度位移限制条件,设计免疫算法求解目标位置所对应的驱动关节角度的最小期望值;再次,引入线性自抗扰控制技术,把机器人的模型不确定性、未知干扰等因素视为一个新的扩张状态变量,设计线性扩张状态观测器和基于状态误差的反馈控制器,在仅驱动关节角度可测的情况下实现Acrobot的鲁棒镇定;最后,通过仿真实验验证所提出方法具有更好的鲁棒控制性能.     

Active disturbance rejection control: between the formulation in time and the understanding in frequency

With the rapid deployments of the active disturbance rejection control (ADRC) as a bonafide industrial technology in the background, this paper summarizes some recent results in the analysis of linear ADRC and offers explanations in the frequency response language with which practicing engineers are familiar. Critical to this endeavor is the concept of bandwidth, which has been used in a more general sense. It is this concept that can serve as the link between the otherwise opaque state space formulation of the ADRC and the command design considerations and concerns shared by practicing engineers. The remarkable characteristics of a simple linear ADRC was first shown in the frequency domain, followed by the corresponding analysis in time domain, where the relationship between the tracking error and the ADRC bandwidth is established. It is shown that such insight is only possible by using the method of solving linear differential equations, instead of the more traditional techniques such as the Lyapunov methods, which tend to be more conservative and difficult to grasp by engineers. The insight obtained from such analysis is further demonstrated in the simulation validation.     

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.     

分数线性相位超前迭代学习控制

线性相位超前迭代学习控制的超前拍数需要取整,不利于控制系统的性能达到最优.对此提出分数线性相位超前迭代学习控制.对系统的收敛条件进行频域分析,得到超前拍数,学习增益和可学习带宽的范围.通过调节超前拍数来提高系统的可学习带宽,以达到更高的跟踪精度.给出了分数线性相位超前的具体实现方法,并在此基础上对整数与分数相位超前的补偿效果进行比较.以机械臂为被控对象的仿真结果表明了分数线性相位超前更能提高系统的可学习带宽及跟踪精度.     

Output feedback control of linear two-time-scale systems

Output feedback control of linear time-invariant singularly perturbed systems is studied. The set of all compensators that stabilize a singularly perturbed system while preserving its two-time-scale structure is parameterized. The parameterization is used to show that any two-frequency-scale stabilizing compensator can be asymptotically approximated by a compensator designed via a sequential procedure. In this procedure, a fast (high-frequency) compensator is designed first to stabilize the fast model of the system. Then, a strictly proper slow (low-frequency) compensator is designed to stabilize a modified slow model. The parallel connection of the two compensators forms a two-frequency-scale stabilizing compensator for the singularly perturbed system.     

A method for the design of phase-lead demodulating compensators for use in carrier control systems

A fairly new type of compensator for carrier control systems consists of a passive electric network that contains one or more periodically-conducting branches. This type of compensator (referred to as a demodulating compensating network) is superior to other types, used previously, in terms of size, weight, cost, and sensitivity to variations in carrier frequency. Although a detailed analysis of the operation of a demodulating compensating network is usually very tedious, it is possible to describe the effect of such a network in a feedback control system very simply by the use of an equivalent time-invariant passive electric network. A procedure for designing a phase-lead demodulating compensating network to meet specifications on system performance is presented in this paper. In essence, this procedure consists of the following steps. First, the uncompensated frequency response of the system is examined. Then an acceptable and realizable phase and/or gain characteristic is selected. Finally, by the use of design curves, the parameters of the demodulating compensator required to provide the desired frequency response are determined. Numerical examples are included to illustrate the application of the design procedure, and experimental results are reported to reveal the value of the procedure.