串级自抗扰控制器在纵列式双旋翼直升机飞行姿态控制中的应用

本文将自抗扰控制应用于直升机飞行姿态控制中,针对纵列式双旋翼直升机的飞行姿态控制问题,设计串级自抗扰控制器,并进行了参数整定,得到了优良的仿真结果.进而在实际装置上,调试出了令人满意的飞行姿态实时控制结果.对比于线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)控制算法,文中所设计的串级自抗扰控制器显然具有更加精准的控制精度,能更加满足快速性的要求,并且更具有鲁棒性、抗干扰性能以及对非线性强耦合系统的解耦能力.     

无人直升机航向自抗扰控制

针对无人直升机系统航向通道扰动大等问题,本文设计了一种自抗扰控制算法来实现其高性能控制.首先分析了航向通道的动态模型,并通过数学变换,将其转化为一类二阶系统;在此基础上,本文设计了适用于无人机航向通道的自抗扰控制策略,它由跟踪微分器、扩展状态观测器、控制器3个环节构成.本文对所设计的自抗扰控制策略进行了仿真和实验测试,并与常见的串级控制方法进行了对比分析.仿真与实验结果表明:这种自抗扰控制策略具有对扰动抑制能力强、控制精度高等优点,其控制性能明显优于常规的串级比例–积分–微分控制方法.     

一种线性自抗扰控制器的无人直升机姿态控制方法研究

针对无人直升机模型复杂,控制器难于设计,易受外界干扰等问题,本文在建立亚拓系列直升机动力学模型基础上,提出了一种改进的二阶线性自抗扰控制器。首先,将线性扩张状态观测器用于估计影响输出结果的扰动,并加入跟踪微分器。然后,改进了控制器结构与反馈补偿系数,使直升机姿态角能够更快地响应所输入的指令,并能够按设定的角度飞行,以完成要求的任务;最后,通过引入白噪声干扰模块,来验证本文控制器的抗干扰能力。对比仿真结果表明,本文所提出的控制器对于无人直升机的姿态角有较好的控制效果,优于其他两种控制器。特别是在噪声干扰的条件下,也有较好的动态性能和鲁棒性。     

基于ESO的无人直升机高精度姿态控制

针对小型无人直升机存在模型参数不确定性、电磁干扰影响的问题,设计了一种基于ESO（扩张状态观测器）的高精度姿态控制方法．直升机姿态通道中的不确定部分及外界复合扰动被视为总扰动,通过ESO进行实时估计,结合状态反馈控制器实现扰动消除．试验结果表明,在0.1 s内姿态角可从0°快速跟踪到5°且无超调．最后将设计的控制器应用于研制的高精度无人驾驶系统,实现系统参数变动等条件下直升机的全自主定点悬停和航迹飞行．     

离散型自抗扰控制器在四旋翼飞行姿态控制中的应用

本文首先介绍了自抗扰控制器的结构组成,包括跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈律,及各部分的典型算法.针对四旋翼盘旋系统的姿态控制问题,设计了3种离散型自抗扰控制器,搭建了仿真结构图,并进行了参数整定,得到了优良的仿真结果.进而在实际装置上进行试验,调试出了令人满意的姿态实时控制结果.实时控制结果表明,文中所设计的自抗扰控制器可以满足控制精度及快速性的要求,并且具有抗干扰性能、稳定控制能力以及对非线性强耦合系统的解耦能力.最后,总结并分析了3种自抗扰控制器的优缺点及适用范围.     

拦截高速机动目标的非线性自抗扰制导律

为实现导弹对目标的高精度拦截, 本文提出了基于加权齐次函数的非线性自抗扰拦截制导设计方法. 首先, 提出了基于加权齐次函数的非线性扩张状态观测器在线估计视线角速率和由目标加速度等内外不确定性因素构成的总扰动. 其次, 设计了基于非线性扩张状态观测器的非线性自抗扰三维制导律对总扰动进行补偿, 该制导律克服了高阶非线性项与强耦合项等不利因素的影响, 提高了拦截制导精度. 本文通过分析误差系统的动力学行为证明了闭环制导系统的稳定性和收敛性. 本文提出的方法在拦截精度等方面优于已有的基于线性扩张状态观测器和基于fal函数的扩张状态观测器的自抗扰制导方法. 仿真结果验证了本文所提出方法的有效性和优越性.     

惯性串联系统的自抗扰控制

针对非线性不确定惯性串联系统的控制问题,提出了惯性串联型扩张状态观测器（Extended state observer,ESO）,使其可直接对惯性串联系统的扩张状态进行估计,同时把被控对象的极点配置到期望位置,在此基础上提出了适合惯性串联系统的自抗扰控制（Active disturbance rejection control,ADRC）方法,该惯性串联型ADRC方法可以充分利用被控对象的已有知识.论文还给出了惯性串联型ADRC和基于扰动观测器（Disturbance observer,DOB）的控制方法之间的联系,指出它们具有相同的三自由度（three-degree of freedom control,3-DOF）控制系统结构和模块功能,都能实现对系统期望模型以外的总扰动进行估计和补偿.仿真结果表明,所提出的方法是有效的,惯性串联型ESO能实现系统总扰动的估计,惯性串联型ADRC能使系统输出能很好地跟踪系统参考输入.     

二阶自抗扰控制器的参数简化

为了克服PID控制器自身具有的缺陷，在PID的基础上提出了自抗扰控制器（ADRC）。该控制器由跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈三部分组成，其控制效果优于经典PID控制器，但是参数众多、调节复杂。通过线性简化和参数整合建立简化的线性自抗扰控制器。MATLAB仿真表明，简化的线性自抗扰控制器参数调节过程大大简化，而控制性能并未受到明显影响。     

无陀螺大挠性多体卫星的自抗扰姿态控制

研究了最近提出的非线性自抗扰控制器在大挠性多体卫星姿态控制中的应用问题。在无陀螺测量情况下 ,提出了一种自抗扰姿态控制器 ,并与使用于某挠性卫星的有陀螺测量的古典PID姿态控制器 ,从鲁棒性、干扰抑制、动静态性能指标和振动抑制等方面进行了比较。在考虑了反作用轮和敏感器的实际非线性和敏感器噪声影响情况下 ,仿真表明 :自抗扰姿态控制器 ,除在振动抑制和控制误差精度方面略差外 ,其它各方面均优于古典PID姿态控制器。该文提出的自抗扰姿态控制器 ,在无陀螺或陀螺故障下 ,实现挠性多体卫星的高精度高稳定度姿态控制 ,具有实际的应用价值     

平台上的无人直升机非线性预测姿态控制

针对在平台上的无人直升机姿态控制,设计了1个非线性预测姿态控制器,该预测控制器具有解析解不需要在线优化,通过查表的方式可以方便地得到满足设计要求的控制器参数。讨论了当输入饱和时的处理方法,通过仿真比较了当输入出现饱和时剪切法和方向保持法对系统性能的影响。最后,将非线性预测控制器和PID控制器的进行了比较,仿真结果说明采用该控制器系统响应比PID控制快,并且可以去除通道耦合引起的过大的超调量。     

Active Disturbance Rejection Control for Piezoelectric Beam

Piezoelectric beam dynamics are characterized by elastic properties, nonlinearities, uncertainties, and unknown disturbances, thus making vibration suppression a challenging control problem. To meet this challenge, a novel active control method has been designed and rigorously tested on actual hardware without the requirement of extensive modeling. In this unique approach, the piezoelectric beam dynamics, known or unknown, linear or nonlinear, and all external disturbances are treated in their totality as an input disturbance which is subsequently estimated and canceled in real time, reducing the challenging problem to a very manageable one. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of this practical control method. The frequency domain characteristics of the proposed method are analyzed using Bode and describing function methods.     

Active Disturbance Rejection Control for Uncertain Nonlinear Systems With Sporadic Measurements

This paper deals with the problem of active disturbance rejection control (ADRC) design for a class of uncertain nonlinear systems with sporadic measurements. A novel extended state observer (ESO) is designed in a cascade form consisting of a continuous time estimator, a continuous observation error predictor, and a reset compensator. The proposed ESO estimates not only the system state but also the total uncertainty, which may include the effects of the external perturbation, the parametric uncertainty, and the unknown nonlinear dynamics. Such a reset compensator, whose state is reset to zero whenever a new measurement arrives, is used to calibrate the predictor. Due to the cascade structure, the resulting error dynamics system is presented in a non-hybrid form, and accordingly, analyzed in a general sampled-data system framework. Based on the output of the ESO, a continuous ADRC law is then developed. The convergence of the resulting closed-loop system is proved under given conditions. Two numerical simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control method.      

On Finite‐Time Stabilization of Active Disturbance Rejection Control for Uncertain Nonlinear Systems

This paper designs the active disturbance rejection control (ADRC) to achieve finite‐time stabilization for a class of uncertain nonlinear systems. The proposed control incorporates both an extended state observer (ESO) as well as an adaptive sliding mode controller. The ESO is utilized to estimate the full system states and the total uncertainties, and the adaptive strategy is incorporated to deal with the estimation errors. It is proved that, with the application of the proposed control law, semi‐global finite‐time stabilization can be achieved. Effectiveness of the proposed method is illustrated with a numerical example.     

一阶线性自抗扰控制的整定

线性自抗扰控制（linear active disturbance rejection control,LADRC）是解决系统外部不可测扰动和内部未知不确定性的一种新型控制方法。其精髓是将系统的不确定性转化为一个可观测的状态,利用扩张状态观测器进行实时估计,并用状态反馈控制率实时进行补偿。在满足鲁棒度策略和时间乘平方误差积分的约束条件下,首先针对一阶惯性加迟延模型提出了一阶LADRC的整定公式,然后通过典型的基准系统和温度控制实验,对整定公式进行测试,最后与常规的SIMC （simplified internal model control）-PI （proportional-integral）整定方法进行性能比较。仿真结果证明了该一阶LADRC整定公式的可行性,拓展了其在工业控制领域的应用。     

线性自抗扰控制器的稳定性研究

研究了线性扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)的估计能力,并且分析了在线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control, LADRC)下闭环系统的稳定性. 对于系统模型未知的情形, 给出了线性扩张观测器估计误差有界的证明, 并通过分析得出了如下结论: 在扩张状态观测器跟踪误差趋于零的前提下, 在线性自抗扰控制下的闭环系统可以实现对设定信号的精确跟踪以及输入-输出有界(Bounded input and bounded output, BIBO)稳定.     

液压位置伺服系统滑模自抗扰控制器设计

主要研究了驱动连铸结晶器的液压伺服系统的精确位置跟踪控制问题。由于液压伺服系统的某些内部参数是时变且不可测的,同时外部负载力也随时间变化使得系统动态模型不精确,从而影响了系统的控制效果。针对这一问题,提出了一种基于滑模控制的自抗干扰控制器的设计方法,利用扩张状态观测器把系统内部参数和外部负载力的不确定性观测出来,从而有效地抵消了系统的不确定性。根据工程实际中的参数进行仿真研究,其结果表明这种控制方法具有很好的全局鲁棒性,并且提高了位置跟踪的精度。     

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.