基于反双曲正弦函数的扩张状态观测器

首先,采用反双曲正弦函数设计一种三阶扩张状态观测器,利用Lyapunov函数证明三阶扩张状态观测器误差系统渐近稳定;然后,利用反双曲正弦函数选取扩张状态观测器初始阶段的参数,以抑制微分峰值现象;最后,通过仿真实验结果,表明了所提出的三阶扩张状态观测器能够获取二阶系统各状态变量和非线性扰动高精度的估计值,而且能够较好地抑制微分峰值.     

含摩擦非线性系统的自适应滑模控制

针对摩擦非线性的扰动抑制和输出反馈控制问题,提出一种高阶滑模扩张状态观测器(ESO),实时获得系统的状态信号.在此基础上,设计神经网络自适应权值调节律,以得到控制信号设计参数与输出跟踪性能之间的关系;同时,给出保证系统动态性能的观测器状态初值与自适应调节律参数初值的充要条件.最后,通过稳定性证明和仿真算例验证了所提出控制算法的有效性.     

带有非匹配扰动的连铸结晶器振动位移系统自适应反步滑模控制

针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在非匹配的参数不确定性、干扰等问题,提出一种基于非线性扩张状态观测器(ESO)的自适应反步滑模控制方法.首先,基于双曲正切函数和高增益构造ESO对系统中的非匹配扰动进行估计.然后,利用反步法将非匹配扰动视为匹配扰动进行处理, 并在每一步设计自适应积分滑模控制器,以消除非匹配扰动对系统的影响.另外,在反步设计的后两步引入了积分滑模滤波器用于估计前一步虚拟控制律的导数.理论分析表明,所设计的ESO能够保证估计误差收敛到原点附近的小邻域内;所设计的控制器能够保证闭环系统所有信号有界,并且,通过选取适当的参数能够保证系统状态可渐近收敛到原点.最后,通过仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

一类非线性系统的广义模糊双曲正切模型自适应控制器设计

针对一类非线性系统的稳定控制器设计问题, 根据广义模糊双曲正切模型的万能逼近性质, 提出一种带有可调参数的广义模糊双曲正切模型的自适应控制器设计方法. 该设计方法的优点是使得自适应律的个数不依赖于广义模糊双曲正切模型的线性基函数的输出形式, 可以有效减少在线估计的参数数目, 并且能够保证被控系统的状态一致终极有界. 最后通过数值算例表明了所提出的设计方法的有效性.

     

快速路交通密度的自抗扰控制器设计及不同扰动情况下的性能评价

本文针对快速路主道交通密度的控制问题,提出了一种新的自抗扰匝道调节方法.该方法包括跟踪微分器(TD)、扩展状态观测器(ESO)和非线性输出误差反馈控制律(NLOEF)3个部分.通过微分跟踪环节安排的过渡过程,可有效降低系统的超调;而系统外部不确定性可通过ESO估计,并将估计信息用于NLOEF更新控制信号.本文分别基于宏观MATLAB和微观PARAMICS平台进行了仿真研究,验证了所提出方法抑制不同类型外部扰动的有效性.     

机械臂的改进型递归滑模动态面抗扰控制

针对机械臂关节运动的轨迹跟踪控制问题，研究了一种改进的递归滑模动态面抗扰控制方法。该方法考虑到机械臂系统存在的外部干扰，设计了一种基于非线性光滑函数的非线性扩张状态观测器(NLESO)，对外部干扰进行估计并前馈至系统控制输出进行补偿；基于NLESO构造递归滑模动态面的控制策略，利用反双曲正弦函数和幂次函数构造一种新的非线性增益函数设计改进型动态面控制律。该方法避免了反推法存在的“微分爆炸”问题，有效解决了传统动态面控制存在的控制精度与动态品质之间的矛盾问题，基于Lyapunov理论方法分析证明了系统的稳定性。仿真结果表明，该方法响应速度快、控制精度高、抗扰能力强，抑制了滑模的抖振问题。     

非对称输入饱和下的非仿射不确定系统自抗扰反演控制

针对一类具有内部动态和外部扰动未知以及非对称输入饱和约束的非仿射系统,提出一种自抗扰反演控制方法.首先基于自抗扰控制思想,通过直接从非仿射项中提取线性控制项,将非仿射系统转化为仿射非线性形式.在此基础上, 在每一步反演控制器设计中,引入扩张状态观测器对系统总的不确定项进行估计,引入跟踪微分器解决虚拟导数的“计算膨胀”问题.在设计真实控制律时,利用双曲正切函数设计一种辅助补偿系统,用来处理输入饱和引起的控制量偏差.基于Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的所有信号有界且跟踪误差可渐近收敛到原点的任意小邻域内.仿真比较结果验证了所提出方法的有效性,体现了一定的工程应用价值.     

线性扩张状态观测器及其高阶形式的性能分析

扩张状态观测器(ESO)作为自抗扰控制(ADRC)的核心组件,其自身及高阶扩展形式的性能分析与评估至关重要.借助Lyapunov逆定理证明了任意扩张阶数下线性扩张状态观测器(LESO)重构状态误差的收敛性,并得出了观测误差上界与扩张阶数的定量关系式;在分别考虑扩张阶数、观测器带宽以及剪切频率的情况下,探讨了高阶及传统LESO的动态响应、干扰抑制能力与观测器参数间的关系;最后,结合改进的ADRC控制器,在估计能力、峰值现象的抑制、滤噪性能等方面对高阶及传统LESO进行了性能评估与仿真验证.所得出的结论可为ADRC应用中ESO的选取提供有效的理论依据.     

具有输入量化和全状态约束的非严格反馈随机非线性系统的有限时间动态面控制

研究具有输入量化和全状态约束的非严格反馈随机非线性系统的有限时间自适应跟踪控制.首先,利用双曲正切函数进行非线性映射,消除全状态约束的限制,将系统变换为无约束系统;其次,引入滞回量化器克服量化信号中的抖动和量化误差.为实现有限时间控制,提出概率意义下半全局有限时间稳定控制方法,加快系统的收敛速度,并在此基础上采用径向基函数神经网络逼近未知非线性函数;接着,基于动态面控制技术和高斯函数的性质,对变换后的非严格反馈随机系统进行自适应控制设计,所设计的控制器能够保证闭环系统中的所有信号在概率意义下有限时间稳定;最后通过仿真实验表明所设计控制方案的有效性.     

基于反双曲正弦函数的跟踪微分器

反双曲正弦函数是光滑连续函数,具有快速并消除速度高频震颤的作用.利用反双曲正弦函数构造加速度函数,设计二阶跟踪微分器,证明了跟踪微分器的收敛性,并分析了跟踪微分器频域特性.仿真实验表明,该跟踪微分器能对输入信号进行低通滤波,且跟踪精度高,响应速度快;同时,它较好地抑制了微分信号的噪声放大效应,可以得到输入函数理想的微分信号.     

Extended state observer for uncertain lower triangular nonlinear systems

The extended state observer (ESO) is a key part of the active disturbance rejection control approach, a new control strategy in dealing with large uncertainty. In this paper, a nonlinear ESO is designed for a kind of lower triangular nonlinear systems with large uncertainty. The uncertainty may come from unmodeled system dynamics and external disturbance. We first investigate a nonlinear ESO with high constant gain and present a practical convergence. Two types of ESO are constructed with explicit error estimations. Secondly, a time varying gain ESO is proposed for reducing peaking value near the initial time caused by constant high gain approach. The numerical simulations are presented to show visually the peaking value reduction. The mechanism of peaking value reduction by time varying gain approach is analyzed.     

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.     

自抗扰控制对具边界扰动和区间内反阻尼的波动方程的镇定

本文讨论边界具有外部扰动和区域内具有反阻尼的一维波动方程的的镇定问题. 主要的方法是后退反演变换和自抗扰控制方法. 即通过扩张状态观测器将扰动在线估计并在反馈控制中实时消除. 本文在扩张状态观测器中使用了两种增益调整策略——常数高增益与时变增益. 为避免常数高增益带来的峰值问题, 在控制环节中使用了饱和方法. 时变的增益可以在很大程度上减少扩张状态观测器中由于常数高增益引起的峰值问题同时可以达到完全消除干扰的镇定效果.     

SCARA机器人模糊自适应滑模控制

为了提高SCARA机器人的轨迹跟踪控制性能,提出了一种基于非奇异终端滑模面和改进的快速趋近律的滑模控制策略。设计了一种非奇异的快速终端滑模面,可在任意初始状态下收敛到平衡点;改进滑模控制的趋近律,在保证快速趋近的同时可有效抑制抖振,并采用双曲正切函数代替传统的符号函数,有效地消除了高频抖振。采用模糊控制调节趋近律参数,改善初始状态误差过大时引起的力矩冲击问题;基于SCARA机器人模型仿真实验表明,实验结果跟踪性能良好,输出力矩平滑。     

伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统反步滑模控制

针对伺服电机通过偏心轴连杆机构驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在减速比加工误差、偏心轴机械零位初始偏差和负载转矩扰动等问题,本文设计了一种基于双幂次趋近律和扩张状态观测器(ESO)的反步滑模控制器.首先,针对偏心轴转角到结晶器位移非线性关系逆解的非唯一性,可通过分段函数法建立结晶器位移到偏心轴转角一一对应的映射函数关系;其次,针对不可测的减速比加工误差和负载转矩扰动可采用扩张状态观测器来实时估计,以削弱扰动对系统跟踪性能的影响;最后,采用一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律以提高收敛速度和削弱抖振.仿真对比结果表明,本文所设计的控制器能有效实现连铸结晶器位移的渐近跟踪,并对系统扰动具有较强的鲁棒性.     

Extended state observer for MIMO nonlinear systems with stochastic uncertainties

ABSTRACT

In this paper, both linear extended state observer (ESO) and nonlinear ESO with homogeneous weighted functions are proposed for a class of multi-input multi-output (MIMO) nonlinear systems composed of coupled subsystems with large stochastic uncertainties. The stochastic uncertainties in each subsystem including internal coupled unmodelled dynamics and external stochastic disturbance without known statistical characteristics are lumped together as the stochastic total disturbance (extended state) of each subsystem. The linear ESO and nonlinear ESO are designed separately for real-time estimation of not only the unmeasured state but also the stochastic total disturbance of each subsystem. The practical mean square convergence of these two classes of ESOs are developed. Some numerical simulations are presented to demonstrate the effectiveness of the ESOs with the advantages of smaller peaking values and more accurate estimation by the nonlinear ESO.     

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.