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.     

不确定遥操作系统带干扰观测器的自适应控制

遥操作系统受到不同类型的不确定性因素影响, 这些不确定性会降低系统的透明性, 甚至会使得系统不稳定. 本文提出了一种带干扰观测器的自适应控制器(adaptive controller with disturbance observer, ACWDO) 用来处理遥操作系统中同时受到的外部干扰和内部动力学参数不确定性. 首先建立了受外部干扰的遥操作系统的非线性动力学模型; 然后分别对主机器人和从机器人设计非线性干扰观测器用来对外部干扰进行估计和补偿; 之后在干扰观测器基础之上分别对主机器人和从机器人设计自适应控制器用来处理内部不确定的动力学参数; 最后再将所设计的ACWDO融入到四通道遥操作系统结构中. 理论分析和仿真结果表明, 所设计的控制器可以取得良好的位置跟踪和力跟踪效果, 确保了遥操作系统的透明性.     

基于高阶控制器设计的线性自抗扰控制参数调整

将反馈控制器/扩张状态观测器闭环极点配置在同一位置是线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection control,LADRC)最常用的整定方法.该方法只需调整两个参数,在工程应用上极为方便.但是,由于极点配置在同一位置的限制,整定的LADRC可能达不到期望的性能.本文提出以现有控制器参数为基础的LADRC调参方法.该方法以现有控制器参数为基础,通过降阶及逼近,保证LADRC控制能接近现有控制系统的性能.仿真设计表明采用高阶控制器设计的LADRC可以取得与原有控制系统相当的控制性能.该方法不受带宽法调参的需使反馈控制器及扩张观测器极点配置在同一位置的限制,因此可以期望获得比带宽法更好的性能.同时,该方法为已经熟悉掌握其他控制器设计方法的工程控制人员提供了一种便捷的调整线性自抗扰控制参数的方案,具有较好的应用价值.     

具有输入饱和的近空间飞行器鲁棒控制

针对近空间飞行器这一类存在外部扰动,输入饱和和参数不确定的多输入多输出线性系统,提出了一种基于干扰观测器的抗饱和鲁棒控制方案.将干扰观测器与抗饱和控制技术相结合,从而消除系统存在的未知外部扰动、输入饱和和不确定性对系统控制的影响.首先,设计干扰观测器对线性外部系统产生的未知扰动进行估计.然后根据干扰观测器输出,通过超前抗饱和方法设计抗饱和补偿器,并将其加入到鲁棒控制器的设计中,保证闭环系统存在输入饱和、未知外部扰动和参数不确定情况下的稳定性.为便于设计,干扰观测器、抗饱和补偿器和控制器设计矩阵均通过求解线性矩阵不等式得到.最后,将提出的鲁棒抗饱和控制方法应用于近空间飞行器,仿真结果验证了该控制方案的有效性.     

异步电动机定子磁链观测方法研究

分析了传统异步电动定子磁链观测器--纯积分器的局限性,采用全阶闭环磁链状态观测器实现了定子磁链的观测,并提出一种简单方便的极点配置方法,完成了状态观测器的极点配置工作.理论分析和仿真结果表明,全阶闭环磁链状态观测器不但能够准确观测定子磁链,有效克服传统磁链观测器的同有缺陷,而且能够有效地抑制电机参数变化对磁链观测的影响.     

极点配置自校正PID控制器

本文提出极点配置自校正PID控制器的三种典型结构。通常称为常规PID数字控制器结构、增广型自校正PID控制器结构和广义最小方差自校正PID控制器结构。带前馈补偿的极点配置自校正控制器设计方法和增广型结构相同。本文根据典型二阶系统闭环特征方程所对应的期望特征多项式进行闭环极点配置。具有工程意义直观、设计方法简单和鲁棒性较好等优点。自校正算法用短字长的单板机就可实现。它克服了常规PID控制器的弱点。常规PID控制器的参数是在一定的工况条件下用实验或试凑方法找出的。对于大滞后慢时变及出现随机干扰时,很难进行在线参数整定。本文     

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.     

考虑输入饱和的近空间飞行器姿态容错控制

针对近空间飞行器姿态控制中出现的执行器故障,输入饱和与外部干扰等问题,设计了一种基于二阶滑模干扰观测器和辅助系统的鲁棒容错跟踪控制方法.首先,将系统不确定,外部扰动和执行器故障作为复合干扰,设计super-twisting二阶滑模干扰观测器对其进行估计.然后为解决输入饱和问题构造了辅助分析系统,并借助backstepping方法,设计姿态容错跟踪控制器.利用Lyapunov方法,严格证明了所有闭环系统信号的收敛性.最后将所设计的控制方法应用于近空间飞行器姿态控制中,仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

鲁棒极点配置约束下的模糊控制系统设计

针对一类利用T-S模糊模型近似描述的不确定非线性系统,给出了一种具有鲁棒极点配置功能的模糊控制器和模糊状态观测器的设计方法.首先,利用并行分配补偿(PDC)设计思想和基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒极点配置理论,得到了使整个闭环系统全局渐近稳定并满足希望的动态性能的充分条件.然后将这些条件转化为标准的LMI问题.最后将该设计方法应用于倒立摆的平衡控制中,验证了本方法的有效性.     

基于同伦映射的两轮机器人控制器设计

两轮自平衡移动机器人是一种高阶次、不稳定、非线性的典型控制系统,以其为研究对象,采用Lagrange方程建立其动力学模型,经过线性化处理并在多项式同伦映射与其零点映射轨线的基础上,采用同伦不动点的控制系统闭环极点配置方法实现闭环极点的配置;仿真和物理实验表明.同伦法对两轮自平衡机器人的姿态进行控制,在很短时间即可获得较为稳定的动态平衡,此控制器设计方法优于传统极点配置方法.     

Robust backstepping control for a class of nonlinear systems using generalized disturbance observer

This paper presents a new composite robust controller for a class of uncertain nonlinear systems through backstepping method and disturbance observer (DOB) technique. By designing a generalized disturbance observer (GDOB), the mismatched/matched uncertainty is estimated and compensated at each backstepping step. By virtue of the proposed GDOB, the proposed controller only requires the lumped uncertainties are differentiable and the higher-order derivatives are bounded. With the help of GDOB, the high-gain backstepping controller is also avoided completely. Asymptotical stability of the closed-loop system is established using direct Lyapunov method. An illustrative example of missile autopilot design is given and simulations are carried out to validate the proposed method.     

含不匹配扰动非严格反馈系统的输出反馈补偿控制

针对一类非严格反馈非线性系统,系统中包含不确定函数和未知外部扰动,提出一种带不匹配扰动补偿的输出反馈模糊控制器.采用模糊逻辑系统逼近未知的非线性函数,同时构造模糊状态观测器观测系统未知状态.考虑观测器和控制器会受到外部扰动和模糊逼近误差构成的不匹配总扰动信号影响,采用改进的扰动观测器对不匹配扰动进行估计和补偿,使扰动观...     

高超声速飞行器非线性鲁棒控制律设计

高超声速飞行器具有模型非线性程度高、耦合程度强、参数不确定性大、抗干扰能力弱等特点,其自主控制具有较大的挑战.论文提出了一种基于鲁棒补偿技术和反馈线性化方法的非线性鲁棒控制方法.文中首先采用反馈线性化的方法对纵向模型进行输入输出线性化,实现速度和高度通道的解耦和非线性模型的线性化.针对得到的线性模型,设计包括标称控制器和鲁棒补偿器的线性控制器.基于极点配置原理,设计标称控制器使标称线性系统具有期望的输入输出特性,利用鲁棒补偿器来抑制参数不确定性和外界扰动对于闭环控制系统的影响.基于小增益定理,证明了闭环控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒跟踪性能.相比于非线性回路成形控制方法,仿真结果表明了所设计非线性鲁棒控制算法的有效性和优越性.     

基于滤波器的浸入与不变自适应控制

针对机电伺服系统存在参数不确定、未建模动态及时变扰动这一问题,提出一种基于滤波器的浸入与不变自适应算法,该算法能够准确估计伺服系统中的未知参数.首先,构造系统状态及回归函数的滤波器,再根据滤波后的辅助变量构造参数估计器;然后,依据浸入与不变理论设计参数估计器中的辅助函数,从而保证参数估计误差的收敛性.此外,为了进一步降低集总扰动对系统闭环性能的影响,提出一种扰动观测器,这种扰动观测器结构简单,并且能保证估计误差的渐近稳定,从而有效地补偿系统中的未建模动态和外部扰动.最后,利用Lyapunov理论分别证明了参数估计器、扰动观测器及闭环系统的稳定性,仿真与实验结果验证了所提出的自适应方法及扰动观测器的有效性.     

Nonsingular terminal sliding mode based finite-time control for spacecraft attitude tracking

This paper studies finite-time attitude tracking control problem of a rigid spacecraft system with external disturbances and inertia uncertainties. Firstly, a new finite-time attitude tracking control law is designed using nonsingular terminal sliding mode concepts. In the absence and presence of external disturbances and inertia uncertainties, this controller can drive the attitude and angular velocity tracking errors to reach zero in finite time. Secondly, a finite-time disturbance observer is introduced to estimate the disturbance, and a composite controller is developed which consists of a feedback control based on nonsingular terminal sliding mode method and compensation term based on finite-time disturbance observer. Finite-time convergence of attitude tracking errors and the stability of the closed-loop system is ensured by the Lyapunov approach. Numerical simulations on attitude control of spacecraft are also given to demonstrate the performance of the proposed controllers.     

Disturbance observer-based tracking control with prescribed performance specifications for a class of nonlinear systems subject to mismatched disturbances

This work investigates simultaneous prescribed performance tracking control and mismatched disturbance rejection problems for a class of strict-feedback nonlinear systems. A novel control scheme combining prescribed performance control, disturbance observer technique, and backstepping method is proposed. The disturbance estimations are introduced into the design of virtual control law design in each step to compensate the mismatched disturbances. To further improve the control performance, a prescribed performance function characterizing the error convergence rate, maximum overshoot, and steady-state error is used to construct the composite controller. The proposed controller guarantees transient and steady-state performance specifications of tracking error and provides much better disturbance attenuation ability simultaneously. Rigorous stability analysis for the closed-loop system is established by direct Lyapunov function method. It is shown that all the states in the resulting closed-loop system are stable, and the tracking error evolves within the prescribed performance boundaries and asymptotically converges to zero even in the presence of mismatched external disturbances. Finally, theoretical results are illustrated and demonstrated by two simulation examples.     

四旋翼无人机抗干扰轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪过程中存在的参数不确定与外界干扰问题,设计一种双闭环自适应控制策略.为了降低控制器设计复杂度,根据四旋翼无人机系统的欠驱动特性将系统分成姿态内环和位置外环.在扰动观测器的基础上,利用积分型反步控制算法完成无人机位置信息在外界干扰下的稳定跟踪控制.在扰动观测器的基础上,利用自适应滑模控制算法完成无...     

基于无源性的全方位移动机器人自抗扰控制

针对全方位移动机器人轨迹跟踪控制中存在的外界干扰和系统参数不确定性问题,提出基于无源性的自抗扰控制方法.该方法通过扩张状态观测器对系统扰动进行估计,并在基于无源性的控制器中加入扰动补偿项以减小外界干扰和参数不确定性对系统的影响;进而,利用系统的无源特性和Lyapunov 理论证明在该控制器作用下闭环系统有界输入有界输出稳定.仿真结果表明,所提出的控制方法响应速度较快,控制精度较高,对系统外扰和模型参数不确定性具有较强的鲁棒性     

高相对阶连续时间系统的间接迭代学习控制

本文提出了一类高相对阶线性连续时间系统的间接迭代学习控制算法,该算法相对独立于系统局部控制器,因此可以应用于已有局部反馈控制器的系统.采用具有极点配置的H∞鲁棒控制器作为系统的内环控制,而在外环通过迭代学习控制调整内环系统的指令信号.通过引入拉氏变化,构建了迭代学习系统的2-D Roesser模型,推导了系统渐近收敛条件,并研究了存在有界初始条件偏移和迭代变化外部干扰时算法的鲁棒性能.最后,利用空中加油对接控制的算例进一步验证了算法的有效性.     

基于自适应模糊控制器和非线性扰动观测器的永磁直线同步电机反馈线性化控制

由于永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统应用于一些高精密场合,因此克服系统存在的负载扰动、参数变化等不确定性影响是提高系统性能的关键.针对不确定性问题,采用一种基于自适应模糊控制器(AFC)和非线性扰动观测器(NDO)的反馈线性化控制方法.首先设计反馈线性化控制器(FLC)实现系统的线性化,便于位置跟踪;其次采用ND...