高精度稳定平台伺服系统的自抗扰控制

提出了一种应用于高精度稳定平台伺服系统的设计方法。为满足稳定平台快速隔离扰动、稳定视轴的要求,将自抗扰控制应用于平台系统的速度环,和常规PID控制的电流环一起构成ADRC-PID控制。Simulink仿真结果表明,与传统PID控制相比,采用自抗扰控制后系统响应速度快,隔离度有较大的提高。ADRC-PID控制可满足高精度光电稳定平台的性能要求,系统具有响应速度快,隔离度好,鲁棒性强,稳定性高等特点。     

融合前馈与姿态预测的并联稳定平台自抗扰控制策略

针对并联式结构平台姿态稳定时对高频扰动信号跟踪的响应滞后以及负载、摩擦力等非线性因素等影响稳定精度问题,提出了一种融合前馈与姿态预测的并联稳定平台自抗扰控制(Active disturbance rejection control,ADRC)控制策略.通过对电动伺服缸、平台运动学建模,得到了电动伺服缸状态方程和平台稳定...     

积分反馈自抗扰控制力矩陀螺框架伺服系统设计

设计了永磁同步电机直驱的控制力矩陀螺(CMG)框架伺服系统,并提出积分反馈自抗扰控制(ADRC)伺服跟踪算法用于实时跟踪CMG操纵律输出的框架角速度指令。首先,采用电机轴电流id=0的矢量控制策略建立了CMG框架伺服系统的数学模型;然后,分析摩擦力矩和齿槽力矩对CMG框架伺服系统性能的影响,并在Matlab中搭建速度环采用ADRC的框架伺服仿真系统;最后,对框架伺服系统的速度环分别采用模糊PI、ADRC、积分反馈ADRC算法进行实验。实验结果表明:采用积分反馈ADRC算法跟踪0.1～2.0rad/s时,稳态精度为0.005～0.012rad/s;跟踪0.0～0.1rad/s时,稳态精度为0.001～0.005rad/s,临界爬行速度为0.003rad/s;跟踪2sin(t)rad/s速度曲线时,幅值误差为0.55%,相位滞后0.09978rad。结果满足CMG框架伺服系统精度高、鲁棒性强的要求。     

航空光电稳定平台的自抗扰控制系统

对航空光电稳定平台模型进行分析并利用电流环简化了平台模型。阐述了影响平台稳定性的扰动及抑制扰动的方法,提出一种基于预报修正的自抗扰控制系统。首先,提出了一种预报修正方法,采用"先预报,后修正"的方法来减小扰动观测值的滞后和超调;然后,设计了基于二阶扩张状态观测器的自抗扰控制系统,对扰动进行线性化动态补偿;最后,在振动平台上对系统进行了速度稳定实验、目标跟踪实验和鲁棒性分析。结果表明,与经典的平方滞后超前控制方法相比,本文设计的控制方法对扰动的隔离度至少提高了5.88dB。另外,设计的系统具有很强的鲁棒性,在系统参数改变±15%的范围内,仍得到很好的控制效果。由于所设计的控制系统具有很强的实用性和鲁棒性,在工程实际应用中提高了航空光电稳定平台的抗扰动性能。     

基于自抗扰控制技术提高航空光电稳定平台的扰动隔离度

提出一种基于电流环的自抗扰控制新方法以进一步提高航空光电稳定平台的抗干扰能力。首先,利用电流环将硬件电路中复杂的电机模型简化为一阶模型,从而减小了由于参数过大噪声对扰动观测值的影响;然后,采用带宽单参数化的设计方法为简化后的一阶系统设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制规律;最后,在飞行模拟转台中测试了自抗扰控制器对2.5Hz以内任意频率扰动的抑制能力,并与目前航空光电稳定平台中常用的平方滞后超前校正方法进行了对比。实验结果表明:与传统的平方滞后超前控制器相比,采用自抗扰控制器后系统的扰动隔离度至少提高了6.56dB;而且随着扰动频率大于0.5Hz,自抗扰控制器的扰动抑制能力更为明显,扰动隔离度最多可提高12.03dB。同时,自抗扰控制器具有很强的鲁棒性,允许被控对象参数在15%的范围内任意变化,可满足高精度航空光电稳定平台的性能要求,对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。     

直线光栅伺服系统自抗扰控制仿真分析与实验研究

伺服系统在实际运行过程中,会存在包括阻力、振动、直线电机的端部效应等扰动因素,这些因素会严重影响系统的控制性能。针对主要的扰动因素设计相应的控制器来改善系统的性能是十分必要的。为直线伺服平台设计了自抗扰控制算法,通过数值仿真研究了该算法中主要参数对直线伺服平台控制性能的影响,比较了在系统中自抗扰控制算法与传统PID控制算法对阶跃响应以及常值干扰的控制效果。仿真和实验结果表明：自抗扰控制对比PID控制有对阶跃响应能平衡快速响应与无超调,对常值扰动的抑制能力明显更强等优势,证明了自抗扰控制能迅速抑制常值扰动的能力。     

气动恒力控制系统的自抗扰控制

针对磨削和抛光等对恒力控制装置的迫切需求,开展气动恒力控制系统研究。由于气动系统存在比例流量阀死区、气缸摩擦力以及气体可压缩等非线性问题,提出了一种二阶线性PID自抗扰控制器,并加入了死区补偿器。该控制器采用跟踪微分器对输入信号进行过渡,利用扩张状态观测器对非线性参数影响进行估计,并通过线性PID反馈控制律进行补偿,同时引入死区补偿器快速跳过死区范围。试验结果表明,相比传统PID控制和积分型线性自抗扰控制(I-LADRC),线性PID自抗扰控制具有更好的动态响应以及更强的鲁棒性,并且稳态误差小于2 N。     

基于自抗扰控制器的磁浮平台水平推力控制

介绍一种新型的磁浮平台,针对该磁浮平台水平运动这一多变量、非线性、强耦合的系统,提出一种改进的自抗扰控制器,克服常规自抗扰控制器非线性状态误差反馈控制律中非线性函数的不平滑性,并探索出一套行之有效的控制器参数整定规则,同时利用扩张状态观测器观测出内部扰动和外部扰动,并对它们进行补偿。仿真对比分析和试验结果表明,这种改进的自抗扰控制器具有很好的动态、静态特性及鲁棒性。     

三轴陀螺稳定平台空间解耦算法及其工程设计

陀螺稳定平台能够隔离载体扰动对任务设备的影响,在惯性空间内保持设备姿态稳定,工程上具有广泛的应用。通过对方位-横滚-俯仰型三轴陀螺稳定平台的稳定机理分析,推导了三轴陀螺稳定平台的稳定条件及稳定控制表达式,并对工程中常用的不同陀螺安装位置进行了解耦分析。针对陀螺安装于俯仰框架上的工程实际应用情况,设计了一种新的控制环路,并进行了控制算法仿真和实际验证,为后续同类设备研制提供了一种有效的设计方法。     

异步电机自抗扰控制的动态性能分析

异步电机是强耦合的非线性系统,采用传统的PID控制和现代控制理论难以对其进行精确控制。基于自抗扰控制技术设计的矢量控制系统可以解决参数不确定的异步电机鲁棒性差的难题。针对不同控制方案的控制效果存在差异这一问题,将各种控制系统按照所用变频器的类型不同分为控制电压型和控制电流型两大类,通过对比其动态性能,深入分析造成性能差异的原因,得出电流型控制系统更适合用于电机控制系统的结论。     

永磁同步电机调速系统的自抗扰控制

提出了一种利用反双曲正弦函数的一阶自抗扰控制器,以提高永磁同步电机正弦波脉宽调制(SPWM)调速系统的跟踪精度。研究了永磁同步电机转速环的数学模型;分别设计了一阶跟踪微分器和二阶扩张状态观测器,利用李雅普诺夫函数分析了它们的收敛性;构造了转速环的一阶自抗扰控制器,同时证明了一阶自抗扰控制误差系统的渐近稳定性。最后,将该新型一阶自抗扰控制器作为永磁同步电机的转速调节器,分析了自抗扰控制永磁同步电机的SPWM调速系统。仿真实验表明:自抗扰控制调速系统速度阶跃跟踪的调整时间约为0.15 s,稳态误差小于0.28 r/min;同一调速系统正弦响应的最大跟踪误差约为17 r/min。与PI控制调速系统相比,自抗扰控制永磁同步电机调速系统阶跃响应快速而平稳,无超调,稳态误差小;另外,系统正弦响应的跟踪性能好,跟踪误差小。     

光电望远镜伺服系统速度环的自抗扰控制

针对大口径光电望远镜惯量大、存在摩擦非线性的特点,设计了自抗扰控制器以改善伺服系统的速度响应特性.介绍了自抗扰控制器的工作原理和基本结构,给出了控制器参数的选择依据,并仿真分析了各个参数的作用效果.最后,在实际望远镜转台上和常规PID控制器进行了对比实验.结果表明,采用自抗扰控制器,既可以实现大速度阶跃响应快速无超调,...     

自适应线性自抗扰控制器的设计

自抗扰控制器对于抑制不确定的扰动有良好的效果,但其控制器参数较多且整定困难。为了实现自适应的线性自抗扰控制器,对线性自抗扰控制器的参数整定策略展开了研究。首先,设计了基于观测误差的线性扩张观测器参数自适应整定算法。接着,设计了自抗扰控制器线性反馈环节的参数的自适应整定算法。最后,利用李雅普诺夫方法,证明上述自适应整定算法得到的参数可以保证扩张状态观测器的观测误差和被控系统最终输出误差都收敛至零。实验结果表明:精密气浮运动平台低速工况下,自适应线性自抗扰控制器的参数在0.8s内即可迅速完成整定计算;线性扩张观测器观测误差绝对值小于2nm;被控精密气浮运动平台的速度波动不大于5%。自适应线性自抗扰控制器实现了控制器参数在线整定,控制器的性能表现满足要求。     

Active disturbance rejection control: Methodology and theoretical analysis

The methodology of ADRC and the progress of its theoretical analysis are reviewed in the paper. Several breakthroughs for control of nonlinear uncertain systems, made possible by ADRC, are discussed. The key in employing ADRC, which is to accurately determine the “total disturbance” that affects the output of the system, is illuminated. The latest results in theoretical analysis of the ADRC-based control systems are introduced.     

Active disturbance rejection based trajectory linearization control for hypersonic reentry vehicle with bounded uncertainties

This paper investigates a novel compound control scheme combined with the advantages of trajectory linearization control (TLC) and alternative active disturbance rejection control (ADRC) for hypersonic reentry vehicle (HRV) attitude tracking system with bounded uncertainties. Firstly, in order to overcome actuator saturation problem, nonlinear tracking differentiator (TD) is applied in the attitude loop to achieve fewer control consumption. Then, linear extended state observers (LESO) are constructed to estimate the uncertainties acting on the LTV system in the attitude and angular rate loop. In addition, feedback linearization (FL) based controllers are designed using estimates of uncertainties generated by LESO in each loop, which enable the tracking error for closed-loop system in the presence of large uncertainties to converge to the residual set of the origin asymptotically. Finally, the compound controllers are derived by integrating with the nominal controller for open-loop nonlinear system and FL based controller. Also, comparisons and simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the control strategy.     

基于自抗扰控制的变速非圆车削技术研究

为了抑制非圆截面工件加工时的颤振,将变速加工应用于非圆截面车削中,设计了变速车削系统结构,分析了变速车削抑制颤振、提高稳定性的机理,设计了适于变速非圆车削的直线伺服单元,单元控制采用自抗扰控制技术.车床控制系统采用PMAC(Programmable multi-axis controller)时基控制法,实现刀具驱动进给和工件变速旋转的协调控制,完成非圆截面的变速车削.结果表明,直线伺服单元能很好地跟踪刀具目标值,非圆截面车削加工精度和稳定性得到了提高.     

Combined feedforward and model-assisted active disturbance rejection control for non-minimum phase system

Control of the non-minimum phase (NMP) system is challenging, especially in the presence of modelling uncertainties and external disturbances. To this end, this paper presents a combined feedforward and model-assisted Active Disturbance Rejection Control (MADRC) strategy. Based on the nominal model, the feedforward controller is used to produce a tracking performance that has minimum settling time subject to a prescribed undershoot constraint. On the other hand, the unknown disturbances and uncertain dynamics beyond the nominal model are compensated by MADRC. Since the conventional Extended State Observer (ESO) is not suitable for the NMP system, a model-assisted ESO (MESO) is proposed based on the nominal observable canonical form. The convergence of MESO is proved in time domain. The stability, steady-state characteristics and robustness of the closed-loop system are analyzed in frequency domain. The proposed strategy has only one tuning parameter, i.e., the bandwidth of MESO, which can be readily determined with a prescribed robustness level. Some comparative examples are given to show the efficacy of the proposed method. This paper depicts a promising prospect of the model-assisted ADRC in dealing with complex systems.     

Dual-rate-loop control based on disturbance observer of angular acceleration for a three-axis aerial inertially stabilized platform

This paper presents a dual-rate-loop control method based on disturbance observer (DOB) of angular acceleration for a three-axis ISP for aerial remote sensing applications, by which the control accuracy and stabilization of ISP are improved obviously. In stabilization loop of ISP, a dual-rate-loop strategy is designed through constituting inner rate loop and the outer rate loop, by which the capability of disturbance rejection is advanced. Further, a DOB-based on angular acceleration is proposed to attenuate the influences of the main disturbances on stabilization accuracy. Particularly, an information fusion method is suggested to obtain accurate angular acceleration in DOB design, which is the key for the disturbance compensation. The proposed methods are theoretically analyzed and experimentally validated to illustrate the effectiveness.