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.     

基于不确定逼近的机械手自适应鲁棒预测控制

针对具有参数不确定性和未知外部干扰的机械手轨迹跟踪问题提出了一种多输入多输出自适应鲁棒预测控制方法. 首先根据机械手模型设计非线性鲁棒预测控制律, 并在控制律中引入监督控制项; 然后利用函数逼近的方法逼近控制律中因模型不确定性以及外部干扰引起的未知项. 理论证明了所设计的控制律能够使机械手无静差跟踪期望的关节角轨迹. 仿真验证了本文设计方法的有效性.     

高超飞行器的再入非线性鲁棒控制

针对再入段高超飞行器非线性动力学模型存在不确定性和干扰,基于奇异摄动理论提出了鲁棒变结构+动态逆内外环解耦控制方法.为避免在线实时求逆,控制系统的外环基于简化的模型设计自适应滑模变结构控制律,通过反馈干扰观测器在线估计广义干扰量,实现角度的跟踪和闭环系统的稳定,抑止外来干扰.强耦合的姿态动力学内环采用动态逆跟踪角速度指...     

飞翼布局无人机分数阶积分滑模姿态控制

针对存在复合干扰的飞翼布局无人机(UAV)姿态控制问题,提出了一种基于分数阶积分滑模与双幂次趋近律的姿态跟踪控制方案.结合分数阶微积分及滑模变结构控制理论,设计了分数阶积分滑模面.为解决传统趋近律收敛时间长和抖振严重等不足,提出一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律.在名义控制律的基础上,设计super twisting滑模干扰观测器,实现对复合干扰的估计和补偿,增强内外环控制器应对复合干扰的鲁棒性.为充分利用冗余操纵面与解决非线性舵效问题,在飞行控制系统中引入了非线性控制分配环节.仿真结果验证了所提方案的有效性.     

全状态参数最优控制的鲁棒自适应励磁控制

在backstepping励磁设计中,虚拟控制函数的参数缺乏最优约束,为了克服此不足,通过坐标变换得到了新的励磁系统动态模型和参数替换律,结合反馈线性化和最优控制策略,在不确定参数和外部干扰两种条件下,给出了具有全状态参数最优控制的鲁棒自适应励磁控制设计方法.为了验证所提方法的正确性,以具体军用电站励磁系统模型为例,进行了仿真实验.仿真结果表明该方法在保证系统鲁棒稳定性和L2增益干扰抑制的同时,可明显提高状态参数的收敛速度和优化控制能力.     

具有状态参数约束的鲁棒自适应最优控制设计

在传统Backstepping鲁棒自适应设计中,虚拟控制函数的设计参数缺乏约束,对此,采用新的设计方法得到了新坐标系下的系统模型和参数替换律,结合直接反馈线性化和最优控制策略,最终给出了具有参数约束的非线性鲁棒自适应最优控制的设计方法.以具体励磁系统参数为例进行仿真实验研究,所得结果表明,该鲁棒自适应控制方法可以实现状态参数的最优约束,并能有效控制状态参数的收敛速度.     

具有状态参数约束的鲁棒自适应最优控制设计

在传统Backstepping 鲁棒自适应设计中, 虚拟控制函数的设计参数缺乏约束, 对此, 采用新的设计方法得到了新坐标系下的系统模型和参数替换律, 结合直接反馈线性化和最优控制策略, 最终给出了具有参数约束的非线性鲁棒自适应最优控制的设计方法. 以具体励磁系统参数为例进行仿真实验研究, 所得结果表明, 该鲁棒自适应控制方法可以实现状态参数的最优约束, 并能有效控制状态参数的收敛速度.     

四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法

针对四旋翼飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法.在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性以及风速变化等外部干扰问题.此外本文还设计了非线性状态误差反馈控制律来有效抑制跟踪误差.在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,本文所设计的自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒性,能够满足飞行器姿态调节快速和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器.     

输入有约束时的飞翼布局无人机姿态控制

针对大展弦比飞翼布局无人机的刚体运动与弹性运动耦合动力学模型,研究了输入有约束时的无人机姿态控制问题,提出了一种采用扩张状态观测器的反步滑模控制方法.首先,采用扩张状态观测器实时估计气动弹性模态和外界未知干扰的影响,并引入跟踪微分器避免了控制律中项数膨胀问题.然后,针对飞翼布局无人机多操纵面的配置和输入约束,给出了基于LMI的在线舵面分配算法.最后,针对指令滤波和输入约束情况下控制指令的滞后问题,设计了辅助补偿器对控制指令进行补偿.根据Lyapunov稳定性理论证明了该控制方法能够保证姿态跟踪误差收敛至有界,仿真表明存在复合干扰和输入约束时该方法具有良好的姿态跟踪性能.     

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.     

柴油发电机组非线性H2/H∞综合控制器

独立电力系统的稳定性主要取决于柴油发电机组的转速和电压响应特性.柴油发电机组控制系统是一个非线性控制系统,转速和电压相互作用,对二者进行综合控制非常必要.为了分析系统的动态特性,首先建立柴油发电机组的非线性数学模型,然后以此为基础设计非线性H2/H∞综合控制器.将直接反馈线性化和混合H2/H∞控制理论相结合应用于柴油发...     

风力发电机组桨距角鲁棒控制器的设计与仿真

在空气动力学原理基础上建立了变浆距风力发电机组非线性数学模型,以此为基础采用基于动态逆的非线性内模控制方法设计了风力发电机组在额定风速以上工作时的桨距角鲁棒控制律,以使输出功率维持在额定值附近。设计是针对风力机的非线性数学模型进行的,克服了基于局域近似线性化模型设计方法的缺点,适应工况点大范围变动的情形,而且对系统参数摄动具有良好的鲁棒性,求解过程相对比较简单。以一台额定功率为300kW的实际风力发电机组为实例进行了对比仿真,结果表明了该方法能够满足控制要求,具有较好的动、静态特性和鲁棒性。     

ON STABILITY AND PERFORMANCE OF INDUCTION MOTOR SPEED DRIVES WITH SLIDING MODE CURRENT CONTROL

A novel inner loop sliding mode current control scheme for induction motor speed drives is proposed in this paper. The controller design is based on the nonlinear mathematical model of an induction motor in a coordinate system oriented along the rotor flux. The parameters of the PI speed controller are taken into consideration in the inner loop sliding mode current control. Rigorous stability verification for the overall system is provided in this paper. The chattering in sliding mode control is attenuated using the reaching law design method. The experimental results show that the proposed approach exhibits robust tracking performance in the presence of motor parameter variations and load disturbances.     

Robust decentralized fast-output sampling technique based power system stabilizer for a multi-machine power system

Power-system stabilizers (PSSs) are added to excitation systems to enhance the damping during low-frequency oscillations. In this paper, the design of robust decentralized PSS for four machines with a 10-bus system using fast-output sampling feedback is proposed. The nonlinear model of a multimachine system is linearized at different operating points, and 16 linear state space models are obtained. For all of these plants, a common stabilizing state feedback gain, F, is obtained. A robust decentralized fast-output sampling feedback gain which realizes this state feedback gain is obtained using LMI approach. This method does not require all the states of the system for feedback and is easily implementable. This robust decentralized fast-output sampling control is applied to a nonlinear plant model of several machines at different operating (equilibrium) points. This method yields encouraging results for the design of power-system stabilizers.     

Design of adaptive robust guaranteed cost controller for wind power generator

According to the increasing requirement of the wind energy utilization and the dynamic stability in the variable speed variable pitch wind power generation system, a linear parameter varying (LPV) system model is established and a new adaptive robust guaranteed cost controller (AGCC) is proposed in this paper. First, the uncertain parameters of the system are estimated by using the adaptive method, then the estimated uncertain parameters and robust guaranteed cost control method are used to design a state feedback controller. The controller’s feedback gain is obtained by solving a set of linear matrix inequality (LMI) constraints, such that the controller can meet a quadratic performance evaluation criterion. The simulation results show that we can realize the goal of maximum wind energy capture in low wind speed by the optimal torque control and constant power control in high wind speed by variable pitch control with good dynamic characteristics, robustness and the ability of suppressing disturbance.     

互联多输入系统的分散自适应L2增益控制

为了实现一类非下三角结构互联多输入系统的鲁棒控制,提出一种基于状态量测的非线性自适应L2增益分散干扰抑制方法,并给出了规律性计算公式,克服了反复递推设计的不足,通过控制律中引入K类函数,提高了状态变量的收敛速度.该方法应用到了多机广域电力系统分散励磁控制中,仿真结果表明:在大扰动情况下,相对于传统L2增益抑制方法,新方法能够有效抑制外部干扰,提高各状态变量的响应速度,对于增强电力系统的暂态稳定性具有重要意义.     

含攻击角度约束的三维制导控制一体化鲁棒设计方法

针对具有攻击角度约束的STT飞行器对象,提出了一种三维制导控制一体化鲁棒设计方法.首先,基于某些可行性简化原则,推导出面向三维制导控制一体化设计的非线性数学模型.然后,针对一类多变量非线性系统,通过引入控制补偿项,提出了一种鲁棒动态逆设计方法.结合鲁棒动态逆和动态面控制方法,完成了制导控制一体化鲁棒算法的设计.仿真结果表明,所提出的三维制导控制一体化算法可保证飞行器的稳定飞行和精确制导,并且满足攻击角度的约束要求.此外,该方案具备针对参数不确定性和等效干扰的强鲁棒性能.     

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。