无轴承扰动补偿悬浮系统的稳定性分析与验证

目前, 无轴承磁悬浮系统多采用PID等经典控制策略, 然而由于外界扰动、参数摄动等诸多原因, 难以实现高性能的悬浮控制. 本文针对上述问题, 通过在传统PID悬浮控制系统中增加扩张状态观测器, 对悬浮力扰动进行实时补偿, 从而建立基于扩张状态观测器的无轴承悬浮控制系统. 其中, 根据扩张状态观测器对综合扰动进行观测的基本原理, 构建了系统数学模型, 并对其稳定性进行了分析. 在此基础上, 对观测器参数调节的选取原则和稳定域的参考范围进行了理论分析, 从而提出了一套无轴承悬浮控制系统参数整定方案. 此外, 本文还结合模型中主要参数的物理意义, 进一步完善了非线性扩张状态观测器参数的设定原则. 最后, 通过仿真验证了扩张状态观测器对无轴承悬浮系统扰动抑制的作用, 以及所述参数整定方案的正确性.     

基于有限时间输出反馈的线性扩张状态观测器

为快速、准确地观测系统中的未知扰动及状态, 提出一种有限时间线性扩张状态观测器(Finite-time linear extended state observer, FT-LESO), 它具有期望的收敛性能且结构简单、易于设计. 假设系统的状态无法量测, 观测器设计问题转化为扰动下的输出反馈控制问题. 针对该问题, 提出一种扰动下的有限时间线性输出反馈控制方法, 得到控制器参数与闭环系统状态向量2-范数间的解析关系. 在此基础上, 提出有限时间线性扩张状态观测器, 得到观测器参数与观测误差收敛速度及稳态观测误差间的解析关系, 给出一充分条件保证观测误差有限时间有界、且能以不低于指数收敛的速度收敛到给定范围内, 为观测器参数设计提供理论依据. 通过数值仿真验证提出的观测器, 仿真结果与理论分析相符, 提出的观测器是有效的.     

一种兼顾带宽拓展和噪声抑制的ESO参数整定方法

从频域角度出发,提出一种兼顾观测带宽和噪声抑制的扩张状态观测器参数整定方法.首先推导传统扰动观测器与线性扩张状态观测器之间的等价关系,将三阶扩张状态观测器的参数整定问题转化为滤波器的设计问题;然后采用切比雪夫滤波器提升观测器性能.仿真结果表明,与已有的扩张状态观测器参数整定方法相比,所提出方法在提高扰动观测能力的同时,具有更好的噪声抑制能力.     

基于扩张状态观测器的永磁同步电机PWM电流预测控制

针对传统永磁同步电机PWM电流预测控制中电机参数扰动偏差造成的输出电流静差及振荡问题,提出基于扩张状态观测器的新型PWM电流预测控制算法.分析电机参数扰动偏差对PWM电流预测控制系统的影响,构建相应的扩张状态观测器来观测参数偏差造成的系统扰动,为传统预测控制算法提供实时性扰动补偿,并通过极点配置验证新型算法的稳定性.仿真结果表明,新型算法能够快速无静差地观测系统扰动,有效避免电感参数扰动偏差对电流预测系统的影响.     

基于扩张状态观测器的动态抗饱和补偿器设计方法

针对一类受外界扰动以及执行器饱和影响的不确定非线性系统,提出一种基于扩张状态观测器的动态抗饱和补偿器设计方法.首先通过将系统的不确定项以及外部扰动作为扩张状态,设计线性扩张状态观测器(ESO)对系统的总扰动进行估计;然后,在控制器中引入对扩张状态的估计值,对系统的总扰动进行补偿,设计了动态抗饱和补偿器,将控制器、观测器以及动态抗饱和补偿器的参数求解问题转化为基于LMI不等式组约束的优化问题,确保系统具有尽可能大的收敛域;最后通过数值仿真验证所提出设计方法的有效性.     

自适应广义滑模观测器之状态估计和故障重构

针对一类同时具有执行机构故障和输出扰动的不确定性系统,提出了一种自适应广义滑模观测器,实现系统状态的估计和执行机构故障的重构.首先,进行系统变换及状态增广构成一类奇异系统,使得执行机构故障和输出扰动解耦,且输出扰动成为增广系统的状态之一;随后,受未知输入观测器和滑模观测器的启发,设计了一种广义滑模观测器,放宽了传统方法对输出维数的严格约束,并通过融入自适应技术放宽了对故障和不确定性上界已知的要求;最后,利用等效误差注入的思想实现故障重构.针对可重复使用运载器再入段进行的仿真实例,验证了所提方法的有效性.     

运动平台上光电跟踪系统的自抗扰控制器设计

针对运动平台上光电跟踪系统既要有很强的抗扰动性能,又要能快速跟踪运动目标的特点,设计了稳定平台的自抗扰控制器.通过对闭环带宽的分析,改进了自抗扰控制器的结构,使闭环系统有较高的带宽.设计了扩张状态观测器对平台的扰动进行观测、补偿,并分析了系统鲁棒稳定性对扩张状态观测器的限制条件.实验结果显示,与采用PI控制相比,自抗扰控制器的稳定跟踪能力和扰动抑制能力都有一定的提高.其中,对阶跃信号的稳态跟踪误差不到PI的一半,而在2Hz附近扰动抑制比有6dB的提高.     

多星发射上面级主动抗扰姿态控制技术研究

针对多星发射的运载火箭上面级在入轨段由于卫星分离产生的质量偏移,从而引起的三轴姿态严重耦合问题展开了研究,提出了基于广义扩张状态观测器的改进预测函数控制姿态控制方法.该控制方法将质心偏移造成上面级结构参数偏差和引入的干扰力矩以及其他未知系统参数偏差、外界扰动和未建模动态视为集总扰动,并将该非匹配干扰通过等效输入扰动技术转换为匹配干扰,由广义扩张状态观测器对变化后的系统状态和未知集总扰动同时观测.将集总扰动在反馈回路予以补偿保证了预测模型与上面级真实动力学模型有较高匹配度,进一步保证预测函数控制有较高的控制跟踪精度和较快的响应速度,并对外界扰动和参数偏差有较强的鲁棒性.文中算例仿真和性能对比验证了该方法的有效性及可行性.     

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.     

考虑控制饱和的连铸结晶器振动位移系统预设性能控制

针对伺服电机驱动的连铸结晶器控制系统执行器输入饱和和状态受限问题,同时考虑系统存在负载扰动、参数摄动等不确定性问题,提出一种基于扩张状态观测器的跟踪误差预设性能反步控制策略.首先,针对执行器输入饱和问题,建立系统的数学模型;然后,采用一种线性扩张状态观测器实时观测系统时变负载扰动、参数摄动等不确定性,并对观测误差的收敛性进行分析;接着,针对伺服电机电流饱和与跟踪误差预设性能控制问题,通过引入辅助状态变量确保系统跟踪误差限定在允许范围内,设计基于扩张状态观测器的反步(Backstepping)控制器;最后,根据Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的稳定性,并通过系统仿真验证所提出控制策略的有效性.     

Study on Four Disturbance Observers for FO-LTI Systems

This paper addresses the problem of designing disturbance observer for fractional order linear time invariant (FO-LTI) systems, where the disturbance includes time series expansion disturbance and sinusoidal disturbance. On one hand, the reduced order extended state observer (ROESO) and reduced order cascade extended state observer (ROCESO) are proposed for the case that the system state can be measured directly. On the other hand, the extended state observer (ESO) and the cascade extended state observer (CESO) are presented for another case when the system state cannot be measured directly. It is shown that combination of ROCESO and CESO can achieve a highly effective observation result. In addition, the way how to tune observer parameters to ensure the stability of the observers and reduce the observation error is presented in this paper. Finally, numerical simulations are given to illustrate the effectiveness of the proposed methods.      

一阶不确定系统的固定时间收敛扰动观测器

针对一阶不确定系统中集总扰动的快速估计问题,基于误差放大策略和双极限齐次估计理论设计非递归形式的固定时间收敛扰动观测器,并提出利用幂次函数非线性特性削弱输入信号噪声影响的改进方案.误差放大策略是一种特殊的高增益方法,能够实现修正项中幂次函数支配范围的扩张,进一步提升观测器的收敛速度,并简化参数调试过程;合理选择误差放大系数并忽略修正项中的低阶幂次项,能够简化扰动观测器结构并增强对测量噪声的抑制能力.另外,以广义超螺旋算法为基础,构建固定时间收敛鲁棒扰动观测器.最后,在理论证明分析的基础上,针对是否存在测量噪声的两种情况,对所介绍的3种扰动观测器和一种扩张状态观测器进行对比仿真分析,并总结各类扰动观测器的特点和适用性.     

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。     

Generalized Extended State Observer Based Control for Networked Interconnected Systems with Delays

This paper is concerned with the generalized extended state observer based control for a class of networked interconnected systems with short time‐varying delays. First, the uncertainties induced by the delays are modeled as an additive bounded disturbance. Then, a novel state feedback stabilizing controller is designed based on generalized extended state observers (GESOs). The GESO is used to estimate the system state and the disturbance simultaneously, and the effect of the uncertainty induced by the delay is eliminated by the GESO based controller. Finally, an illustrative example is provided to verify the effectiveness of the proposed method.     

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.     

基于非线性块反步控制的无人直升机航迹跟踪算法研究

针对小型无人直升机系统高度非线性、强耦合和易受内外部扰动干扰的特点,提出了一种非线性块反步控制与广义比例积分观测器相结合的控制策略。该方法采用广义比例积分观测器构建多阶观测回路对系统状态量、扰动量及扰动量的多阶导数进行估计,然后将扰动的估计值代入到直升机系统模型中,采用反步法回归递推得到直升机的跟踪飞行控制律。通过对阶跃信号和复杂“8”字形航迹的航迹跟踪仿真,结果表明：在多种内外部扰动影响下,所设计的控制律具有良好的动态响应和航迹跟踪性能以及抗干扰能力。相较于常规非线性扰动观测器,广义比例积分观测器对高阶和快速时变扰动具有更高的预估精度,可以达到更好的扰动抑制效果。     

Rejection of mismatched disturbances for systems with input delay via a predictive extended state observer

The problem of output stabilization and disturbance rejection for input‐delayed systems is tackled in this work. First, a suitable transformation is introduced to translate mismatched disturbances into an equivalent input disturbance. Then, an extended state observer is combined with a predictive observer structure to obtain a future estimation of both the state and the disturbance. A disturbance model is assumed to be known but attenuation of unmodeled components is also considered. The stabilization is proved via Lyapunov‐Krasovskii functionals, leading to sufficient conditions in terms of linear matrix inequalities for the closed‐loop analysis and parameter tuning. The proposed strategy is illustrated through a numerical example.     

基于线性自抗扰的开关磁阻电机调速控制研究

开关磁阻电机调速系统是复杂的非线性时变系统,负载扰动大,变量之间耦合严重,针对上述系统的性能特点提出采用线性自抗扰控制策略对系统进行控制的方法。首先为克服负载扰动变化,电机磁链呈非线性以及电流、位置等参数耦合的内外部干扰问题,设计扩张状态观测器对系统内扰和外扰进行准确估计并实时补偿。然后设计PD（比例-微分）控制器抑制系统给定与扩张状态观测器反馈的观测对象状态变量之间的跟踪误差。最后在仿真平台上对设计的控制系统进行试验并与传统PID控制方案进行对比,结果显示,对于给定的阶跃信号线性自抗扰控制器只需0.09s即可达到稳态且无超调,而PID控制器需要3s才能实现稳定跟踪。因此相比于传统PID控制,线性自抗扰控制器拥有更优的动静态性能,并且系统在外部负载扰动和内部模型参数变化的情况下也有良好的控制效果,表现出了很好的鲁棒特性。     

基于广义预测控制和扩展状态观测器的永磁同步电机控制

在电动汽车等工况复杂的系统中,实现永磁同步电机驱动系统的快响应和强鲁棒性控制历来是研究的重点和难题.预测控制策略可实现快速的动态响应,但依赖电机的数学模型.本文结合广义预测控制理论和扩展状态观测器,提出了一种新型的永磁同步电机转速跟踪控制方法.首先基于连续时间非线性系统的广义预测控制方法,设计了速度跟踪控制器;然后针对外部扰动引起的电机性能下降问题,设计了扩展状态观测器估计系统扰动,通过对扰动量的补偿,提高了鲁棒性;而且控制器参数容易调节.试验结果表明,电机从静止到1000 r/min,与PI控制相比,超调量小,响应速度快.特别是在电机运行过程中外加负载扰动时,转速跌落更小,且更快的恢复到给定值.