基于扰动观测器的直线电机速度系统预测函数控制

针对直线电机伺服系统存在非线性、不确定性和各种扰动等特性,提出了一种基于扰动观测器和预测函数控制的复合控制方法。首先建立直线电机伺服系统的数学模型;然后设计扰动观测器对参数变化和外部干扰进行补偿,将干扰估计值反馈给预测函数控制器,建立带有干扰信息的预测模型,从而优化控制方法,提高伺服系统的控制效果。仿真结果表明,采用该复合控制方法设计的扰动观测器和预测函数控制器能够有效抑制扰动,满足系统对快速性和稳态精度的要求,系统具有较强的鲁棒性和抗干扰性,能够实现伺服系统的有效控制。     

基于预测函数控制和扰动观测器的永磁同步电机速度控制

设计了基于预测函数控制的速度控制器,以减小永磁同步电机的转矩波动,提高电机的转速控制精度。针对因外部扰动因素引起的控制器跟踪性能下降问题,设计了基于预测函数控制和扰动观测器的双环控制器;通过扰动观测器估计系统扰动,并据此产生转矩电流补偿量对控制量进行前馈修正,从而实现扰动的抑制。实验结果显示：当电机从静止跟踪到设定600 r/min转速时,系统没有超调,稳态精度为2 r/min;当电机以600 r/min稳速运行并加入1.6 N·m的转矩扰动时,转速最大波动为5 r/min。与传统的PI控制算法相比,所设计的控制器使转速波动减小了4.2% 。仿真分析和实验数据表明：基于预测函数控制和干扰观测器的控制器能够有效地抑制扰动,提高系统转速跟踪精度。     

基于自适应干扰观测器的输出反馈控制器设计

针对非线性系统存在外部系统参数矩阵未知的情况,设计自适应律估计未知参数矩阵;构造状态观测器及自适应干扰观测器估计出系统状态和外部干扰;利用估计信息,设计基于自适应干扰观测器的输出反馈复合控制器,补偿和抑制外部干扰对系统的影响.通过仿真对自适应干扰观测器与传统干扰观测器的估计效果进行对比分析,验证了该控制方法对改善系统抗干扰能力的有效性.     

直线电机精密工作台扰动观测器设计

针对直线电机驱动、气浮导轨支撑的精密工作台没有机械阻尼、抗扰动性能差的特点,为了在较短的位置伺服周期内(110μs)抑制工作台上的线缆扰动以及直线电机推力波动的影响,提高工作台的轨迹跟踪精度,采用了基于精密工作台名义模型的方法设计扰动观测器,构成PD+扰动观测器的运动控制结构。通过实验,与没有扰动观测器的PD控制相比较,工作台静态定位精度提高了0.3μm,以120 mm/s匀速运动时工作台的轨迹跟踪精度提高了2μm。结果表明,该控制方法计算量小,抑制外部扰动效果好,有利于工作台综合性能的提高。     

基于扰动观测器的永磁同步电机电流环自适应滑模控制

针对扰动对永磁同步电机转速伺服系统性能的影响,提出了基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法。设计了自适应律在线估计系统的内部参数摄动以补偿模型不确定性扰动。同时,设计了滑模扰动观测器实时估计系统外部负载扰动,并将观测值前馈补偿到电流环自适应滑模控制器,在提高系统鲁棒性的同时降低滑模控制系统的抖振。实验结果显示,采用基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法,系统可快速、准确、无超调地跟踪900r/min的速度指令,调节时间为0.08s,稳态误差为±5r/min。加入0.6N·m的负载扰动,该控制方法的最大转速波动为21r/min,比PI控制方法的转速波动减小了3.4%。仿真和实验结果表明,基于扰动观测器的电流环自适应控制方法提高了永磁同步电机转速伺服系统的鲁棒性和动态响应性能,同时可有效抑制滑模控制系统的抖振。     

基于自适应干扰观测器的输出反馈控制器设计

针对非线性系统存在外部系统参数矩阵未知的情况,设计自适应律估计未知参数矩阵;构造状态观测器及自适应干扰观测器估计出系统状态和外部干扰;利用估计信息,设计基于自适应干扰观测器的输出反馈复合控制器,补偿和抑制外部干扰对系统的影响.通过仿真对自适应干扰观测器与传统干扰观测器的估计效果进行对比分析,验证了该控制方法对改善系统抗干扰能力的有效性.     

基于扩张状态观测器的永磁同步电机低速滑模控制

为了解决传统滑模控制高性能与系统抖振之间的矛盾,提高基于永磁同步电机驱动的航空光电平台系统的可靠性和指向精度,本文提出了一种新型滑模控制器趋近律,该趋近律可以有效削弱系统抖振并达到更好的跟踪效果。在此基础上,为提高扰动观测器的带宽以提升观测的准确性,将扩张状态观测器引入到光电稳定平台伺服系统中以观测系统的总和扰动,并将观测到的总和扰动补偿进滑模控制器,以更好地抑制系统抖振并提高系统抵抗外扰的能力。实验结果表明,本文提出的滑模控制器结合扩张状态观测器的方法明显优于传统的PI+DOB的控制方法。在匀速跟踪实验中,系统的位置指向误差的RMS值仅为0.005 7°,完全满足航空光电稳定平台的需求,约是经典PI+DOB控制方法精度的3倍;在正弦波跟踪实验中,本文提出的方法很大程度减小了速度跟踪的相位滞后,位置指向误差仅为PI+DOB方法的1/6;在三角波跟踪实验中,位置指向误差RMS值约为PI+DOB的1/3。     

机械臂固定时间观测器和自适应滑膜控制方法的设计

在机械臂轨迹跟踪控制过程中,当利用观测器对模型参数不确定性和外部未知动态扰动进行估计时,估计时间容易受扰动初值的影响,为此基于固定时间扰动观测器设计了一种自适应滑模轨迹跟踪控制方法。利用固定时间观测器的特性,在固定时间内获得机械臂内部模型误差和外部不确定扰动的估计,对扰动估计做出补偿,通过滑模控制策略实现机械臂的轨迹跟踪控制。针对滑模控制伴随抖震的特性,论文对滑模控制器的趋近律进行了抑制抖震的改进设计。通过仿真实验证明:基于固定时间扰动观测器的滑膜控制方法能够在固定时间内准确获取扰动的估计值,能够控制机械臂以高精度跟踪给定轨迹;通过与基于高阶扰动观测器的滑模控制方法进行仿真对比,验证了该方法在消除不确定扰动的基础上,能够有效地抑制系统抖振,并且跟踪误差能够在短时间内以指数速率完成收敛。     

光电稳定平台中高阶扰动观测器的应用

由于光电稳定平台在稳定视轴时易受到摩擦、风阻、不平衡以及载体扰动等干扰力矩的影响,本文研究了利用高阶扰动观测器抑制扰动力矩的机理和方法。该扰动观测器由控制对象的逆模型和进行了高阶设计的改进型滤波器组成。提出的方法将观测量作为电流环的输入,利用电流环超高的控制带宽抑制扰动力矩。对系统的扰动抑制能力进行了仿真,结果显示高阶扰动观测器对高阶扰动模型具有很好的抑制能力:对于阶跃扰动和斜坡扰动,三阶扰动观测器的抑制率为100%;对于抛物波扰动,三阶扰动观测器的抑制率为99.9999996%。另外,观测器对于控制对象模型的摄动具有很好的鲁棒性。提出的方法可以在提高伺服系统响应速度的同时保证系统的鲁棒性,满足光电稳定平台的应用要求。     

电磁驱快速刀具伺服闭环系统DOB补偿增益PID阻尼控制器设计

为了弥补快速刀具伺服(fast tool servo,FTS)系统驱动不足的问题,开发了一种电磁驱动直接数字式频率合成器(direct digital synthesizer,DDS)系统来实现高带宽轨迹的跟踪控制方法。利用静态增益实现参数前馈补偿,通过线性控制建立扰动观测器(disturbance observer,DOB)补偿前馈增益处理。开展实验测试分析,从控制器中采集控制指令,实现对FTS励磁线圈的驱动作用,完成输出位移控制。研究结果表明：采用PAVPF控制器时对谐振峰起到了明显抑制,发挥理想减振作用。通过阻尼控制保持稳定裕度恒定,再通过更高增益PID控制器对系统实施控制,实现系统闭环带宽的显著增加。PAVPF阻尼达到了±2μm误差;提高DOB增益后系统最大跟踪误差降低值接近±0.16μm。该研究具有很好的控制精度,为高精度刀具控制起到理论支撑作用。     

基于LMI和扰动观测器的电动伺服系统RBF神经网络控制

为了提高电动伺服系统的加载力跟踪精度,基于线性矩阵不等式(LMI)设计扰动观测器和控制器。针对系统中的非线性因素,采用RBF神经网络逼近系统的数学模型;在建立系统跟踪目标模型的基础上,根据LMI设计扰动观测器对控制器进行多余力的补偿,利用李雅普诺夫函数证明扰动观测器和控制器的收敛;在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,分析扰动观测器和RBF神经网络在不同工况下对系统相应量的精准估计,且误差均满足所设定的性能指标,同时与PID控制相比较,证明所提控制策略的控制性能更优。     

汽车电子节气门的模型参考-扰动观测复合控制

为了提高电子节气门在外界扰动和参数不确定情况下的控制精度，提出了模型参考自适应控制与扰动观测器结合的复合控制方法。分析了电子节气门控制系统的工作原理，建立了电子节气门数学模型。以典型二阶系统为参考模型，给出了控制律构造方法，使用Lyapunov稳定性推导了控制律参数的自适应律，因而设计了模型参考自适应控制器。为了消除外界扰动和系统参数不确定性，设计了扰动观测器对扰动和参数进行实时估计。将模型参考自适应控制器与扰动观测器结合，提出了复合控制器的构造方法。经仿真和实验验证，存在外界扰动和参数不确定性时，复合控制器的控制精度和控制速度均优于模型参考自适应控制器，说明了复合控制器在电子节气门控制中的有效性，且复合控制器具有较强的鲁棒性。     

带干扰观测器的航空相机前向像移补偿控制器

研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响,设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰.介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型.采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端.然后,在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制.最后,应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制.与先进的PID方法的比较结果表明:在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40％～60％左右.该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性.     

有限时间不确定性估计的电液伺服跟踪控制技术

在实际工程应用中,参数不确定性是一种非常常见的外部扰动,会对受控系统的动态性能产生消极的影响,而电液伺服系统作为一类常规的机电系统,其控制问题的研究也必然伴随着参数不确定性的问题.首先,介绍了终端滑模观测器来估计电液伺服系统的参数不确定性,相较于其他观测器,其能够实现对系统参数不确定性的快速估计;然后,基于终端滑模观测...     

通过直线伺服鲁棒跟踪控制方法提高轮廓加工精度

为了减小零件加工的轮廓误差,提出了一种采用直线伺服驱动的零相位跟踪控制器(ZPETC)和干扰观测器 (DOB)相结合的鲁棒跟踪控制策略。零相位误差跟踪控制器作为前馈跟踪控制器,提高了快速性,使系统实现准确跟踪;基于干扰观测器的鲁棒反馈控制器补偿了外部扰动、未建模动态、系统参数变化和机械非线性等不确定因素,并根据预测到的干扰信息对各轴进行补偿以消除干扰对系统的影响,从而保证了系统的强鲁棒性能。仿真结果表明所提出的控制方案是有效的,既能实现完好跟踪,又有较强的鲁棒性能,从而提高了轮廓加工精度。     

基于NDO的永磁同步电动机自适应分数阶滑模控制

针对永磁同步电动机(PMSM)驱动的高档数控机床进给系统易受参数变化、外部扰动等不确定性因素影响的问题,设计了一种基于非线性干扰观测器(NDO)的自适应分数阶滑模控制(AFOSMC)方法。建立了含有不确定性的PMSM动态数学模型。将自适应控制与分数阶滑模控制(FOSMC)相结合,抑制了整数阶滑模控制的抖振现象,且能实时调整切换增益,提高了系统的控制精度。然而,外部干扰会对系统产生极大的影响,因此采用NDO实时辨识外部干扰,将观测值作为前馈补偿引入AFOSMC中,以提高控制器的抗干扰能力。实验结果表明,基于NDO的AFOSMC方法有效地削弱了抖振现象,提高了进给系统的跟踪性能和抗扰能力。     

四辊卷板机侧辊位移跟踪控制

针对四辊卷板机侧辊位移跟踪控制存在负载变化、参数摄动和未建模动态等不确定性问题,提出一种基于非线性扰动观测器的自适应滑模控制策略。采用非线性扰动观测器在线获取并补偿等效扰动;针对引入非线性扰动观测器后的系统,采用反步法设计自适应滑模控制器,利用自适应律动态补偿扰动观测误差,以降低滑模控制器的切换增益。该设计方法放宽了滑模切换增益对系统不确定性上界的先验性要求,降低了外界干扰和系统不确定性对侧辊位移跟踪性能的影响。同时,采用李雅普洛夫方法证明了侧辊位移跟踪闭环控制系统的稳定性。根据工程实际参数进行仿真,结果表明,该控制策略对系统的不确定性,特别是负载变化具有较强的鲁棒性,可以满足侧辊位移快速、精确跟踪的要求。     

基于离散型扰动观测器的直线电动机控制研究

针对推力波动、摩擦力等因素对直线电动机控制性能的影响,设计了一种基于扰动观测器的高速高精度位置伺服系统。采用离散时间的扰动观测器设计方法,对考虑与忽略时间延迟环节时,扰动观测器的品质进行比较。仿真分析与试验研究表明：在高速高精度的直线电动机运动控制中,引入带有时间延迟的扰动观测器,能够消除直线电动机速度响应曲线中的微小振荡,减小位置响应曲线中的超调和稳定时间。     

基于干扰观测器和最优LQR的电液压系统的复合控制研究

随着电液压系统在自动控制领域的广泛应用,复杂工艺环境对其性能的要求也越来越高,但是模型不确定性和负载力矩干扰的存在阻碍了系统性能的进一步提升.针对干扰观测器(Disturbance Observ-er,DOB)在提高控制系统鲁棒性方面的优势,以及复合控制器在改善伺服系统跟踪性能方面的能力,提出了一种双环控制结构,即内环DOB与外环复合控制器相结合的方式.同时,在构造外环复合控制器时,采用状态空间设计的方法,并借助于最优LQR理论.计算机仿真结果表明,相比传统控制方案,所提出的双环控制方案可实现电液压系统更精确的位置跟踪以及针对建模误差和负载力矩干扰的更强鲁棒性.此外,该研究控制方案的结构较为简单,易于工程实现.     

混合动力挖掘机电动回转系统速度控制研究

针对挖掘机回转平台转动惯量大、变化范围宽且外界干扰力矩较大,易造成速度波动的问题,对20 t混合动力挖掘机电驱动回转系统速度控制进行了研究。建立了其数学模型,提出了比例积分(PI)+扰动观测器补偿的速度控制方案,并设计了扰动观测器和PI控制系数;在转台最大和最小惯量,且施加阶跃干扰力矩的情况下,对PI+DOB方案以及PI控制方案进行了仿真对比。仿真结果表明:该回转系统在采用PI控制之外增加DOB环节后,使转台惯量变化对转速超调量的影响从3.1%下降到1%,外部干扰对转速波动的影响从1.3%下降到0.1%;扰动观测器环节减小了惯量变化对转速超调的影响,增强了速度控制的抗干扰能力,改善了回转作业的操作性。