基于优化模型补偿自抗扰的伺服控制方法研究

在永磁同步电机(PMSM)自抗扰控制器(ADRC)系统中,扩张状态观测器(ESO)在扰动较多且幅值变化大时难以保证估计精度,而普通的模型补偿自抗扰控制器的性能又受到参数辨识精度和辨识算法复杂度的限制.针对该问题,提出一种伺服系统优化的模型补偿自抗扰控制方法.以交轴电流和实际转速作为线性扩张状态观测器(LESO)输入,采用二阶LESO对系统总扰动进行观测,将此观测值作为补偿模型补偿到速度环ADRC的ESO中,并在控制量的扰动补偿项中去除该补偿模型,实现模型补偿的目的.仿真和实验结果表明,该方法显著降低了ADRC中ESO要估计量的变化幅度,提高了扰动估计精度,同时不需要进行额外的参数辨识,可实时在线获取补偿模型,具有较好的动态特性与抗扰动能力.     

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.     

广义非线性扩张状态观测器设计及性能分析

针对时变外扰,提出广义非线性扩张状态观测器设计方法.在分析传统扩张状态观测器的设计策略的基础上,通过对总扰动进行重构、引入广义扩张状态,设计反映扰动中已知分量的广义扩张状态观测器(扩张r+1阶).理论分析了观测器的收敛性,并得出了观测误差上界与扩张阶数的定量关系式.通过仿真对广义扩张状态观测器抑制外界正弦扰动的有效性进行检验,数值模拟结果表明,本文设计的观测器能够有效利用扰动中已知分量的信息,降低系统的不确定性,提高观测精度.     

基于LESO的舰载机纵向着舰动态面抗饱和控制技术

对具有输入饱和、舰尾流扰动以及强耦合性的舰载机纵向自动着舰系统(ACLS)模型,设计了一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的高阶系统动态面控制(DSC)策略。在传统DSC的基础上,引入LESO对系统内外扰动进行实时观测和补偿,并在LESO框架内设计了一种基于误差补偿的抗饱和方法,有效抑制了输入饱和对系统性能的影响。采用线性微分跟踪器(LTD)代替传统动态面方法中的一阶低通滤波器,避免了反步法“微分爆炸”的同时输出了所需的微分信号。根据Lyapunov理论进行了稳定性分析,并在MATLAB/Simulink环境下通过仿真验证了所设计方法的有效性。     

线性/非线性切换扩张状态观测器

为了解决非线性扩张状态观测器(NLESO)对大幅度扰动估计能力有限的问题,本文提出一种线性/非线性切换扩张状态观测器.首先分析了非线性扩张状态观测器对大幅度扰动估计能力有限的原因,然后提出在NLESO的非线性区间引入一段线性扩张状态观测器(LESO)弥补NLESO的缺陷,其次从理论上证明了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的收敛性.最后,通过数值仿真验证了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的可行性.     

基于双曲正切函数的二阶时变参数扩张状态观测器

当传统扩张状态观测器(ESO)的状态初值与系统的状态初值相差较大时,普遍存在微分峰值现象.为了消除这种现象,本文给出了用双曲正切非线性函数构造ESO的一般形式,并且用Lyapunov函数证明了二阶ESO的误差系统为渐近稳定.然后又利用双曲正切函数自身的饱和特性,设计出一种时变ESO,可以实现微分峰值的有效抑制.最后,把这种ESO的仿真结果与经典ESO的仿真结果进行对比,表明这里提出的ESO能够有效抑制微分峰值现象,并可以获得系统状态变量和非线性扰动的精确估计.     

线性扩张状态观测器的观测误差讨论

给出一种量化表述线性扩张状态观测器(LESO)观测误差的近似方法.通过线性化“总扰”项,从时域内推导出LESO的观测误差解析式,包括动态响应部分和稳态静差部分.进而提出将静差解析式作为观测误差的量化表达式,并使用该方法讨论LESO取不同构建方式对观测精度产生的影响,分析建模不准确、输入量存在偏差情况下观测器的容错能力.仿真结果很好地验证了讨论结论的正确性,从而间接证明了将量化表达式作为一种描述LESO观测精度的近似方法的可行性.     

自抗扰fal函数改进及在四旋翼姿态控制中的应用

将自抗扰控制器(ADRC)应用于四旋翼飞行器姿态控制.首先,对扩张状态观测器(ESO)进行理论分析,对扩张状态观测器中的非线性fal函数进行改进,得到改进型faln函数,并对改进后的状态观测器进行收敛性判断;然后,将传统的fal函数与改进型faln函数进行仿真实验对比,以验证改进型faln函数能够更好地达到“大误差,小增益”的效果;最后,将改进的faln函数应用于四旋翼飞行器姿态控制,仿真结果表明,改进后的faln函数具有比传统fal函数更优的抗扰效果.     

ESO 在直接转矩控制矩阵变换器中的应用及稳定性分析

设计一种由非线性控制方法实现的直接转矩控制矩阵变换器(DTC-MC)交流调速系统.首先构造基于扩张状态观测器(ESO)的自抗扰控制器(ADRC),取代传统DTC中的PI调节器,用来估计系统的扰动项并进行前馈补偿;然后运用多Lyapunov函数法对二阶ESO的稳定性进行分析.仿真结果表明,该方法提高了系统在输入电压非正常工况下的抗干扰能力和鲁棒性.     

扩张状态观测器的性能与应用

研究自抗扰控制方法中的扩张状态观测器(ESO)。通过频域分析可得出该观测器性能随频率升高而逐渐衰减的结论,衰减程度取决于观测器的参数和系统的采样频率,并指出对现有的参数配置方法加以改进可以获得补偿性能更好的观测器。提出了一种非线性扩张状态观测器,在同等采样率条件下能够提高观测器的跟踪性能。仿真结果表明,所提出的状态观测器与现有的观测器相比,在主动控制中效果更好。     

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.     

On the conditions of exponential stability in active disturbance rejection control based on singular perturbation analysis

Stability of active disturbance rejection control (ADRC) is analysed in the presence of unknown, nonlinear, and time-varying dynamics. In the framework of singular perturbations, the closed-loop error dynamics are semi-decoupled into a relatively slow subsystem (the feedback loop) and a relatively fast subsystem (the extended state observer), respectively. It is shown, analytically and geometrically, that there exists a unique exponential stable solution if the size of the initial observer error is sufficiently small, i.e. in the same order of the inverse of the observer bandwidth. The process of developing the uniformly asymptotic solution of the system reveals the condition on the stability of the ADRC and the relationship between the rate of change in the total disturbance and the size of the estimation error. The differentiability of the total disturbance is the only assumption made.     

基于扩张状态观测器和反步法的非线性超空泡航行体纵向控制

考虑空泡记忆效应的超空泡航行体控制难度较大,主要体现在滑行力的强非线性、模型中的时延特性以及运动中的未知扰动.对于此类多输入多输出的复杂非线性系统,利用传统反步法控制器设计思想,将其改进以适用于超空泡航行体的纵向运动控制.为了对系统模型中存在的未知扰动进行观测补偿,本文设计了线性扩张状态观测器(LESO),将扰动估计值与控制器设计相结合,使用Lyapunov方法分析系统稳定性.最后在不同条件下进行仿真,结果验证了所设计的LESO估计未知扰动的准确性,以及所提控制方法对超空泡航行体纵向控制的有效性.     

A LADRC based fuzzy PID approach to contour error control of networked motion control system with time‐varying delays

This paper investigate the contour error control problem for networked multi‐axis motion system (NMAMS) with time‐varying delays. Firstly, the uncertainties induced by the delays are modeled as a part of the total disturbance, and a linear active disturbance rejection controller (LADRC) is designed for the uniaxial trajectory tracking control. In the LADRC, a linear extended state observer (LESO) is designed to estimate the system state and the total disturbance simultaneously, and the effect of the total disturbance is eliminated by the designed linear feedback error control law. Then, the classical contour error estimation method is adopted, and a fuzzy PID controller is designed to compensate the contour error to achieve a better contour tracking performance. Finally, experiments are provided to verify the effectiveness of the proposed method.     

Linear extended state observer based sliding mode disturbance decoupling control for nonlinear multivariable systems with uncertainty

In this paper, the sliding mode dynamic disturbance decoupling tracking control method based on the linear extended state observer (LESO) is proposed for a class of square multivariable nonlinear uncertain system. The model plant contains the known linear dynamics, the unknown nonlinear dynamics and the internal and external disturbances, and the various input-output pairs are interacted. The system states are not available for measurement. An improved LESO is developed. The leading feature which is different from the typical ESO lies in that its extended state does not contain the known linear dynamics. The improved LESO can guarantee the error variables to be uniformly ultimately bounded with respect to a ball whose radius is a function of design parameters. So this ball radius can be arbitrarily as small as desired by tuning design parameters. And we give a simple method by which the gain parameters of LESO can be computed easily. This estimation to the total disturbance of the original system is introduced into the sliding mode control design to complete disturbance rejection and decoupling. Rigorous stability analysis shows that the system output can track the desired signal closely. Finally, a class of mass–spring–damper system is taken to make the numerical simulation analysis to illustrate the effectiveness of the proposed control method.     

线性/非线性切换扩张状态观测器的收敛性和稳定性分析

线性/非线性切换扩张状态观测器(linear/nonlinear switching extended state observer,SESO)是为追求更高的控制精度和抗扰能力,在进行状态估计时根据状态误差大小在线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)和非线性扩张状态观测器(nonlinear extended state observer,NLESO)之间进行切换的一种扩张状态观测器.但由于该算法存在非线性结构,目前还没有从频域角度对该方法进行收敛性和控制系统稳定性分析的相关研究.针对此问题,以二阶系统为研究对象,首先对SESO的结构及参数选择进行了介绍,然后,分别采用等效增益法和描述函数法,从频域角度对了其状态估计误差的收敛性和基于SESO的自抗扰控制系统的稳定性进行了研究.结果表明,三阶SESO具有良好的收敛性,能实现对系统状态和"总扰动"的误差估计,并且选择适当的SESO参数,可避免极限环的产生.     

三阶扩张状态观测器的优化参数配置方法

研究三阶非线性扩张状态观测器扰动观测性能的优化问题。首先,采用系数冻结法固定与观测器状态相关的非线性系数,利用线性系统的极点配置方法进行频带拓展;然后,分析配置后的极点随非线性系数的变化规律,在此基础上,提出一种保证扰动观测带宽受系统状态变化影响最小的参数配置方法;最后,通过算例和仿真对比表明了所提出参数配置方法的有效性和优越性。     

结晶器多变量耦合系统的自抗扰控制

主要研究新颖实用非线性自抗扰控制算法,在结晶器多变量耦合系统中的应用.自抗扰控制主要特性是实时估计对象模型摄动和外扰的总和作用量,并在控制信号中补偿掉,实现不确定性强非线性对象的实时动态反馈线性化.结合控制对象,建立了结晶器多变量耦合自抗扰控制系统.数值仿真试验表明自抗扰耦合控制的协调性、自适应跟随性和抗干扰性优于传统的PID解耦控制.     

基于扩张状态观测器的磁通切换永磁电机的无传感器控制

将线性自抗扰控制应用于磁通切换永磁电机（FSPMM）的无速度传感器控制中,采用线性扩张状态观测器（LESO）构造FSPMM的转速观测器,实现对转速准确而快速的实时估计;设计线性自抗扰控制器（LADRC）作为转速环调节器,系统的鲁棒性被提高了.仿真结果验证了所设计的基于LESO的无传感器LADRC控制策略能够使FSPMM可靠稳定运行,LESO提升了系统的观测精度和响应速度,克服了滑模观测器（SMO）带来的高频抖振和滞后现象;与基于SMO的无传感器PI控制策略相比,所提的控制策略在负载扰动和参数摄动时具有更强的鲁棒性.