一种反向递推正弦干扰观测器的设计方法

在多源干扰环境下,考虑一种基于输出信号的正弦干扰估计方法.引入低通滤波器激励干扰特性,得到一组级联关系的不可测信号,并将其分解为标准正弦虚拟干扰、等价有界干扰以及衰减项;在频率已知条件下,设计辅助滤波器,建立干扰频率与虚拟干扰之间关系,从而将外部正弦扰动表示为关于虚拟干扰的参数形式,利用虚拟干扰的估计值逐次降阶反推输入干扰.该干扰观测器设计方法独立于控制器结构,不需要估计等效干扰状态,可很大程度上降低计算复杂度.当不存在等价有界干扰时,这种反向递推方式可以渐近跟踪正弦干扰.在多源干扰环境下,通过调节辅助滤波器参数可以保证干扰误差动态一致最终有界特性.仿真和实验验证了该干扰观测结构的有效性.     

一类含输入时滞非线性系统的干扰观测器控制

基于干扰观测器控制（Disturbance-observer-based control,DOBC）作为一种有效的干扰补偿策略取得了广泛的应用. 然而,当干扰和控制输入不能在同一时刻进入控制通道时,外部信号很难得到实时估计和补偿.提出一种复合DOBC结构,包括干扰观测、干扰预测和反馈调节三个部分.该方法的特点是即使一类非线性系统存在输入时滞,同样可以继承传统DOBC的优点. 最后,通过构造辅助观测器给出了预测误差以及复合闭环系统的稳定性分析方法.     

基于干扰观测器的一类奇异系统H∞控制

提出了一种基于干扰观测器的奇异系统鲁棒H_∞控制方法.外部干扰广泛存在于奇异系统中,为了降低其对系统的影响,设计了一种奇异系统干扰观测器以估计系统干扰.然后给出闭环系统相容的条件,设计一种基于干扰观测器的鲁棒控制器,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性,通过设计指标函数得到闭环系统具有鲁棒性能的条件.相对于传统鲁棒控制方法,基于干扰观测器的方法降低了系统设计的保守性.最后,通过仿真实验验证了所提出方法的正确性和有效性.     

基于滑模观测器和广义观测器的故障估计方法

针对受未知干扰影响的一类非线性系统,提出一种基于滑模观测器和广义观测器的执行器故障和传感器故障估计方法.首先通过线性变换将原系统解耦为两个降阶的子系统,其中一个子系统受执行器故障和干扰的影响,另一个含有传感器故障和干扰,进一步将后一个子系统转化为广义系统.对两类子系统分别设计滑模观测器和广义观测器,给出估计误差一致最终有界的条件,得到系统状态和未知干扰的估计值.然后,利用等效输出控制原理重构执行器故障,引入干扰补偿保证重构算法的鲁棒性,再根据广义观测器的结果获得传感器故障的估计值.最后,通过计算机仿真验证了本文方法的有效性.     

基于等价输入干扰滑模观测器的磁悬浮球系统模型预测控制

本文针对系统不确定性和外部干扰引起的磁悬浮球系统控制性能下降的问题,提出了一种基于等价输入干扰滑模观测器的模型预测控制(MPC+EIDSMO)方法.首先将原系统转化为EID系统,采用等价输入干扰滑模观测器对EID系统状态变量及等价输入干扰进行估计;然后基于状态估计值设计模型预测控制器,并将等价输入干扰估计值以前馈的方式补偿后得到最终的复合控制律,实现对参考位置跟踪的快速性,准确性以及对总扰动的鲁棒性.值得注意的是,与传统EID结构中的龙伯格观测器相比,等价输入干扰滑模观测器中增加的非线性观测误差反馈项有助于提高状态估计的快速性和精确性.从理论上证明了该系统是全局一致毕竟有界的.仿真和实验结果表明,相较于基于EID观测器的模型预测控制方法和基于龙伯格观测器的积分模型预测控制方法,所提方法提高了磁悬浮球系统的跟踪性能,并且有效的抑制了系统不确定性和外部干扰.     

基于干扰观测器的航天器非奇异终端二阶滑模控制

为了消除干扰力矩和结构不确定性对卫星姿态控制性能的影响,本文提出了一种基于新型干扰观测器的非奇异终端二阶滑模控制方法.首先,文章设计了一种基于跟踪微分器的干扰观测器,来对卫星系统中的不确定项进行估计,利用估计值进行补偿,并保证估计误差在有限时间内收敛.在此基础上,文章设计一个非奇异终端滑模面,当系统到达滑模面时,姿态误差可以在有限时间内收敛,并利用二阶滑模趋近律设计控制器,保证系统在有限时间到达滑模面.在干扰观测器误差未完全收敛时,滑模控制器可以对存在的扰动进一步抑制,实现姿态跟踪系统的有限时间稳定,并通过李雅普诺夫方法严格证明了其稳定性.最后,仿真结果表明,干扰估计值误差可以在有限时间内收敛,证明了该控制方法对存在的干扰是具有较好的鲁棒性.     

广义线性系统的干扰解耦观测器设计

提出了广义线性系统的Luenberger函数观测器关于干扰解耦的充要条件,并进一步基于广义Sylvester矩阵方程的显式通解给出了干扰解耦观测器的参数化设计方法.这种方法首先给出了观测器增益矩阵的参数表示,然后通过结合观测器增益矩阵的参数表示和提出的干扰解耦条件,给出了设计广义线性系统干扰解耦观测器的算法.数值例子说明了本文设计方法的有效性.     

基于非线性干扰观测器的翼伞鲁棒反步跟踪控制

针对干扰条件下的无人翼伞飞行器路径跟踪控制问题,提出一种基于非线性干扰观测器的反馈增益鲁棒反步控制方法.采用二阶跟踪-微分器设计干扰观测器对系统复合干扰进行估计和补偿,设计了反馈增益反步跟踪控制律,通过合理设计增益参数,消除了部分复杂非线性项,避免了虚拟量高阶导数问题,简化了控制器形式.根据Lyapunov理论设计鲁棒反馈补偿项,在保证稳定性的同时提高了系统的鲁棒性.仿真实验结果验证了所提出方法的有效性.     

随机多源干扰系统的复合DOBC和容错控制

针对一类带有多源干扰和常值故障的随机系统,研究其抗干扰和故障诊断问题.多源干扰包括由外源系统生成的部分信息已知的干扰和白噪声干扰两类.第1类干扰包含状态和干扰耦合,不仅可以代表一类部分信息已知的干扰,还可以代表一类随机干扰,且耦合增加了系统的复杂性,导致必然等价原则的无效.为了解决这个问题,提出复合极点配置和线性矩阵不等式(LMI)方法相结合的策略.首先,设计随机干扰观测器来估计第1类干扰;其次,设计随机故障诊断观测器来估计系统故障.基于此,结合容错控制和随机控制,提出基于观测器的复合容错控制策略,在满足一定条件下,该策略可以保证复合系统满足依均方渐近有界.最后,通过仿真验证所提出策略的正确性与有效性.     

基于非线性干扰观测器的一类欠驱动系统跟踪控制

针对一类欠驱动系统的跟踪控制问题,提出一种基于非线性干扰观测器的控制策略.首先给出一种基于跟踪误差的输出函数,通过等式变形和Butterworth低通滤波器解决未知控制方向问题;其次,引入一种新型非线性干扰观测器,对系统未知模型进行补偿,使控制器的设计无需知道系统的结构和参数;再次,通过对系统的内部动态和外部动态的分析,证明闭环系统的输出收敛于原点,跟踪误差信号一致最终有界;最后,将该方法应用于小车倒立摆模型,仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

A study of robust controller and observer design method for a rolling object and beam system

This paper deals with a robust control problem for a ball and beam system with an uncertainty. At first, we clarify the effect of a measurement error in the beam rotational angle and its differential value. It is expressed as additional terms in the state and input matrix of the state equation, which is called as a structured uncertainty. For this system, a robust tracking controller and a robust state observer are applied. Both components are designed based on a robust control, which is called guaranteed cost control. This is a kind of cost minimization method for designing problem of a linear feedback system. The controller is obtained as the solution of the matrix algebraic Riccati like equation, which is referred to as stochastic algebraic Riccati equation. The nominal system performance is degraded due to the influence of the uncertainty, but it is able to design a system with robustness for disturbance. Next, we consider the design problem of a state observer to estimate all state variables form the output signal easy to measure, like rotation angle of the beam. For the design problem of the state observer, we consider dual problem of the original system. Consequently, our proposed system estimates the whole state vector, and using estimated state values, it controls the ball to the desired position. Both components have robustness for the uncertainty. Numerical result shows the validity of our proposed method.     

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.     

基于非线性干扰观测器的飞机全电刹车系统滑模控制设计

飞机防滑刹车具有典型的强非线性、强耦合和参数时变等特点, 并且跑道环境的干扰容易对飞机的地面滑跑性能造成不利影响. 本文提出了一种基于非线性干扰观测器的飞机全电防滑刹车系统滑模控制设计方法. 首先, 考虑了实际刹车不确定性干扰条件下的防滑刹车动力学建模问题, 通过对高阶非线性刹车系统进行反馈线性化处理, 简化了基于严格反馈的模型. 其次, 基于对主轮打滑原因的深入分析, 设计了非线性干扰观测器对干扰进行在线估计, 并在控制律设计中引入补偿部分. 通过构造递归结构的快速终端滑模控制器来跟踪实时变化的最佳滑移率并建立稳定性条件, 实现了飞机全电防滑刹车系统的有限时间快速稳定并有效抑制了主轮锁定打滑. 通过在不同跑道状态下进行模拟仿真, 验证了本文提出的飞机防滑刹车控制策略可以有效地提高刹车效率.     

基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制

针对速度不可测的三自由度欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题,考虑船舶存在模型参数不确定项以及外界环境干扰未知情况,提出一种基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制策略.该策略构造扩张观测器估计船舶速度向量,利用神经网络算法逼近模型参数不确定项,然后采用动态面控制技术避免对虚拟控制律直接求导,简化控制律计算过程,并引入低频增益学习技术消除外界扰动导致控制信号产生高频振荡,最后选取李雅普诺夫函数证明该控制律能够保证船舶跟踪闭环系统中所有误差信号一致最终有界.仿真结果表明,本文所设计控制器对船舶模型参数不确定项及外界环境干扰具有较强的鲁棒性,能够实现对船舶轨迹的有效跟踪.     

无人驾驶飞行器姿态的非线性扰动抑制控制

本文研究了无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV)的姿态跟踪控制问题.针对在飞行器姿态跟踪时存在的系统模型不确定性和外界扰动,提出了一种基于四元数的姿态跟踪控制方法,基于UAV的姿态误差模型分别设计系统的观测器和控制器.首先,以四元数为姿态参数建立系统的非线性误差模型;在此基础之上,设计一种非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDOB)用以在线估计误差模型中的复合扰动,并在控制输入端进行相应的补偿.然后通过设计非线性广义预测控制律设镇定误差系统,实现姿态跟踪.最后基于频域理论分析了非线性干扰观测器的扰动抑制性能.仿真与实验结果表明本文提出的方法在系统存在复合扰动的情况下能使系统姿态有效的跟踪期望值.     

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。     

基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模 动态面输出反馈控制

针对三自由度全驱动船舶速度向量不可测问题,考虑船舶模型参数和外部环境扰动均未知的情况,提出一种基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模动态面输出反馈控制方法.该方法设计神经网络自适应观测器估计船舶速度向量,且利用神经网络逼近模型参数不确定项,综合考虑船舶位置和速度误差之间关系构造递归滑模面,再采用动态面控制技术设计轨迹跟踪控制律和参数自适应律,并引入低频增益学习方法消除外界扰动导致的高频振荡控制信号.选取李雅普诺夫函数证明了该控制律能够保证轨迹跟踪闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘供给船进行仿真验证,结果表明,船舶轨迹跟踪响应速度快,所设计控制器对系统模型参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性.     

非线性不确定系统的非奇异快速终端滑模控制

针对存在非匹配干扰的非线性系统,设计了一种基于干扰观测器和反步法的非奇异快速终端滑模控制.引入非线性干扰观测器估计系统的不确定性,利用反步的思想处理高阶非线性系统,从而可以将非线性干扰观测器估计的干扰值引入反步法的虚拟控制量中,同时设计一种新颖的非奇异快速终端滑模控制律保证系统的收敛速度和精度.利用Lyapunov函数从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的有限时间收敛.最后通过数值仿真验证了所设计的控制方法的有效性.     

具有边界扰动的不确定Euler-Bernoulli梁方程输出反馈控制

针对带有边界扰动、内部不确定扰动和外部扰动的Euler-Bernoulli梁方程,为克服传统扰动观测器引入的高增益及未知扰动导数难以准确求解问题,本文将主动干扰抑制控制(ADRC)技术应用到Euler-Bernoulli梁方程这个偏微分方程(PDE)系统上,提出并设计了一种新的在线扰动观测器,可实时估计扰动值.依据估计扰动值,设计了一个边界输出反馈控制器.仿真结果表明,本文所提出的方法可很好地实现对内部不确定扰动和外部扰动的估计,配合输出反馈控制器,可对边界扰动进行有效抑制,进而实现系统的指数稳定.     

飞行模拟转台非线性干扰观测器反步滑模控制器设计

本文针对考虑不确定性的飞行模拟转台伺服系统,提出了一种基于非线性干扰观测器的反步全局滑模补偿控制方法。该方法采用反步控制方法设计转速期望虚拟控制,然后利用非线性干扰观测器观测系统不确定干扰,进而对引入非线性干扰观测器的系统设计自适应全局滑模控制器,实现了飞行模拟转台伺服系统期望转角信号的鲁棒跟踪控制,仿真结果表明,该方法控制效果良好,具有很好的工程应用价值。