非仿射系统的自学习滑模抗扰控制

针对一类单输入单输出(single-input single-output,SISO)非仿射非线性系统的控制问题,提出了一种自学习滑模抗扰控制方法.该方法用非线性光滑函数设计扩张状态观测器,实现SISO非仿射非线性系统内部不确定性和外部扰动的扩张状态估计,并将扩张状态观测器(extended state observer,ESO)与自学习滑模控制技术融为一体,实现SISO非仿射非线性系统的自学习滑模抗扰控制.该方法不依赖受控对象的数学模型,可以快速跟踪任意给定的参考信号.数值仿真试验表明了该方法响应速度快、控制精度高,具有很强的抗扰动能力,因而是一种鲁棒稳定性很强的控制方法,在SISO非仿射非线性系统控制领域具有重要作用.     

基于自抗扰技术的感应电机无传感器控制

针对感应电机无传感器矢量控制系统速度估计超调量大,鲁棒性低的问题,基于自抗扰控制理论,设计了速度控制器,有效解决上述问题.所设计的自抗扰速度控制器包括扩张状态观测器和非线性状态反馈控制律,前者将扰动作为扩展状态,后者将估计转速与给定转速之差通过非线性函数变换推导出控制律.该自抗扰控制器不需要直接测量外扰,也不需要知道扰动作用规律,凡是能够应用常规PID的场合,只要能数字化,都可采用.用Matlab搭建系统仿真模型,在dSPACE平台上进行在线实验.实验结果表明该自扰控制器不依赖于外扰数学模型,具有较好的抗扰性,有效降低了速度佑计的超调量.感应电机常用于伺服系统中,系统要求可靠性高,高精度控制,因而此方法的应用前景十分广阔.     

一种改进的寻的制导信息估计方法研究

在精确制导的研究中,针对精确目标探测,研究了视线角可测情况下改进的 CB 观测器(Cost-Based Observer)的制导信息估计问题.在进行平面拦截中,根据非线性拦截运动学和一阶马尔可夫目标机动模型,建立了制导信息滤波的非线性状态方程.为了解决 CB 观测器不可观问题和提高目标信息估计的精度,提出了一种多状态相关系数矩阵加权组合方案,从而保证了观测器的可观性.采用比例控制制导系统进行仿真研究表明,改进的观测器制导信息估计精度提高,脱靶量明显降低,能够满足制导系统的状态估值性能要求.     

基于神经网络的非线性扩张状态观测器

自抗扰控制方法是一种新型的非线性设计方法,在自抗扰控制器中主要存在着确定待定参数的问题;非线性扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心,在研究非线性扩张观测器中的参数整定问题时,将神经网络的思想引入参数整定,提出了基于神经网络的非线性扩张状态观测器的设计方法,运用该方法可以对任意阶的非线性扩张状态观测器进行参数设计;大量仿真算例表明,设计出的观测器具有良好的鲁棒性,有一定工程应用参考价值.     

广义非线性扩张状态观测器设计及性能分析

针对时变外扰,提出广义非线性扩张状态观测器设计方法.在分析传统扩张状态观测器的设计策略的基础上,通过对总扰动进行重构、引入广义扩张状态,设计反映扰动中已知分量的广义扩张状态观测器(扩张r+1阶).理论分析了观测器的收敛性,并得出了观测误差上界与扩张阶数的定量关系式.通过仿真对广义扩张状态观测器抑制外界正弦扰动的有效性进行检验,数值模拟结果表明,本文设计的观测器能够有效利用扰动中已知分量的信息,降低系统的不确定性,提高观测精度.     

高阶不确定非线性系统的线性自抗扰控制

针对一类具有内部动态和外部扰动未知的SISO高阶非线性系统,提出一种通用的线性自抗扰控制方案.该方案基于单参数调节的高增益观测器思想,分别设计线性跟踪微分器、线性扩张状态观测器和线性状态误差反馈控制律.利用Lagrange中值定理和Cauchy-Schwarz不等式将系统总扰动的微分值转化为关于系统估计和跟踪误差的函数,可以解决因系统控制增益未知所导致的控制量微分值难以预先确定的问题.在此基础上,基于Lyapunov稳定性定理证明闭环系统误差信号有界,并进一步分析得到系统估计和跟踪误差与控制器参数的定量关系,即都可以随观测器增益的增大而达到无限小.仿真比较结果验证了所提出方案的有效性,与韩式自抗扰控制方案相比,该方案结构简单,调节参数少,易于工程实现.     

微小型自主直升机自抗扰控制

针对微小型直升机建模困难,而且内部和外部扰动都比较大的问题,提出一种基于自抗扰控制的飞行 控制方法．按照飞行控制的要求改进了原算法的扩张状态观测器离散方程和非线性反馈函数．起飞、悬停和强风中 飞行控制仿真验证了改进的自抗扰控制方法的有效性．     

PMSM调速系统的自学习滑模控制

针对永磁同步电机存在对外界扰动及内部参数摄动较为敏感的问题,提出了一种自学习滑模控制方法.该方法设计了一类非线性光滑函数,并将其应用于扩张状态观测器和滑模趋近律中,同时采用最速下降法对滑模控制器增益参数进行自学习实时更新.仿真结果表明,与常规PI矢量控制方法相比,该控制方法不仅响应速度快、控制精度高,而且对系统外部扰动具有很强的抗扰能力.     

带攻击角度约束的非奇异终端滑模固定时间收敛制导律

针对拦截机动目标的末制导问题,设计一种带攻击角度约束的末制导律.该制导律构造一种新型的固定时间收敛非奇异终端滑模面,能够在解决终端滑模面奇异性问题的同时使得滑模面、弹目视线角和弹目视线角速率在固定时间内收敛,保证收敛时间的上界是独立于弹目初始条件,可以被预先设定的.与传统的固定时间收敛控制相比,该制导律通过调节滑膜面和弹目视线角误差的趋近律指数使得制导系统收敛速率更快.同时,针对目标机动引起的未知扰动,引入一种扩张状态观测器进行估计,能够增强制导系统的鲁棒性,避免震颤现象的发生.最后,通过仿真实验验证所提出制导律能够以不同的攻击角度对机动目标进行有效拦截,且与其他制导律相比,所提出的制导律使得制导系统收敛更快,导弹拦截时间更短,拦截精度更高.     

基于自抗扰技术的红外成像导引头控制器设计

研究导弹的红外精确制导问题.红外成像导引头具有抗干扰能力强、制导精度高、全天时工作以及可进行自动目标识别等特点.由于弹体的姿态扰动会造成红外成像导引头成像模糊,为隔离弹体姿态扰动对成像的影响,加强稳定性控制,提出采用自抗扰控制技术设计红外成像导引头稳定回路控制器.首先,在完成红外成像导引头稳定回路数学建模的基础上,采用扩张状态观测器对受扰后对象的状态和干扰进行估计.然后,采用非线性状态反馈,并对估计的干扰进行补偿,从而实现对指令的精确跟踪,并通过红外成像导引头稳定回路的仿真证明了所设计的自抗扰控制器具有很强的隔离姿态扰动的能力,表明设计方法有效性.     

Active DIsturbance Rejection Control of Surface Vessels Using Composite Error Updated Extended State Observer

In this paper, a composite‐errors‐based active disturbance rejection control law is proposed for surface vessels with exogeneous disturbances. The low‐frequency disturbances from wind, wave and ocean currents are estimated by a novel composite‐errors‐based extended state observer (ESO). Since the composite errors are composed of trajectory tracking errors and estimation errors, the disturbance rejection control is feedforward‐feedback composite control. The advantages of feedforward control and feedback control are exploited to reject system disturbances. Compared with conventional ESO‐based active disturbance rejection control, smaller estimation errors and smaller tracking errors can be achieved by the proposed disturbance compensation control. The effectiveness and superiority of the designed control law are illustrated by theoretical analysis and simulation results.     

快速路交通密度的自抗扰控制器设计及不同扰动情况下的性能评价

本文针对快速路主道交通密度的控制问题,提出了一种新的自抗扰匝道调节方法.该方法包括跟踪微分器(TD)、扩展状态观测器(ESO)和非线性输出误差反馈控制律(NLOEF)3个部分.通过微分跟踪环节安排的过渡过程,可有效降低系统的超调;而系统外部不确定性可通过ESO估计,并将估计信息用于NLOEF更新控制信号.本文分别基于宏观MATLAB和微观PARAMICS平台进行了仿真研究,验证了所提出方法抑制不同类型外部扰动的有效性.     

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。     

An enhanced anti-disturbance attitude control law for flexible spacecrafts subject to multiple disturbances

As well-known disturbance rejection methods, active disturbance rejection control and disturbance observer-based control can effectively improve the control performances of complex systems in the presence of disturbances. However, the accurate rejection of multiple disturbances for control systems of practical engineering, for example, the attitude control system of flexible spacecraft, is still a bottleneck problem. In order to further improve the anti-disturbance capability and reduce the conservativeness, this paper proposes a novel enhanced anti-disturbance control law for the attitude control system of flexible spacecraft by combining active disturbance rejection control and disturbance observer-based control in a unified framework. More specifically, the disturbance from flexible vibration is described by an uncertain exogenous system based on the partially known information including elastic damping ratios and modal frequencies. The disturbance observer-based control is utilized to estimate and thereby reject this disturbance. On the other hand, the other disturbances such as external environmental disturbance and complex model nonlinearity are merged into a equivalent disturbance with bounded derivative, which is compensated by using the active disturbance rejection control law. Stability and robustness analysis are carried out for the disturbance observer and extended state observer. Finally, simulation results of low-earth-orbit flexible satellite are presented to verify the effectiveness of proposed methods.     

Semi-global sampled-data output feedback disturbance rejection control for a class of uncertain nonlinear systems

This paper investigates the semi-global output feedback disturbance rejection control problem for a class of uncertain nonlinear systems with additive disturbances using linear sampled-data control. Aiming to reject the adverse effects caused by the uncertainties and unknown nonlinear perturbations which may not satisfy the strict feedback or feedforward structure, a new generalised discrete-time extended state observer is proposed to estimate the disturbance at sampling points. An output feedback disturbance rejection control law is then constructed in a sampled-data form which facilitates digital implementations. By selecting adequate control gains and a sufficiently small sampling period to restrain the state growth under a zero-order-hold input, the semi-global asymptotic stability of the hybrid closed-loop system and the disturbance rejection ability are proved. Both numerical example and an application of a single-link robot arm system demonstrate the feasibility and efficacy of the proposed method.     

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     

无人炮塔炮控系统自抗扰控制

本文运用机器人分析技术来建立无人炮塔的数学模型,这种方法考虑了炮塔方位向和高低向之间的耦合关系.同时,由于陀螺机构测得的是惯性空间中的角位移,结合三轴稳定原理,对无人炮塔的方位向和高低向射角进行修正,实现火炮轴线在惯性空间中的稳定.针对炮控系统这一包含非线性和不确定性的复杂系统,能在参数摄动和不确定的外部扰动的情况下获得高跟踪精度和稳定性,提出了一种基于自抗扰控制的解耦方法.系统的内部参数摄动、外部扰动和耦合项作为总扰动被扩张状态观测器估计出来,然后在采样间隔被补偿掉.将仿真结果与PID控制作比较,结果表明该控制算法能够有效抵抗系统的不确定非线性因素,并验证了其强鲁棒性和有效性     

适应扰动的无人直升机姿态跟踪控制

无人直升机在实际飞行过程中,会受到阵风等外界因素的干扰,并且模型不确定性也会对控制效果带来不利影响.为应对这些挑战,本文设计了一种基于扩张状态观测器的自抗扰反步控制器.首先,建立了无人直升机姿态动力学模型.随后,引入扩张状态观测器,用以实时观测由外界扰动和模型不确定性组成的总和扰动.观测得到的总和扰动估计值与基于Lyapunov函数的反步法控制器控制算法相结合,用以消除总和扰动的影响,使得无人直升机在各种飞行条件下均能对运动指令进行快速和准确的跟踪.最后,仿真研究和飞行实验验证了该控制律的有效性.与同等条件下的PID控制器相比,该控制律表现出更优的飞行性能.     

移动机器人轨迹跟踪快速终端滑模自抗扰控制

针对移动机器人动力学模型难以精确建立、运动过程中各种干扰对高精度轨迹跟踪造成偏航等问题,构造出一种快速终端滑模自抗扰控制器,实现了高速高精度轨迹跟踪控制目标。首先建立非完整移动机器人的干扰控制模型;然后运用扩张状态观测器实时监测系统未建模动态与各种干扰;同时将扩张状态量和系统反馈量作为快速终端滑模算法的系统变量;最后设计出一种快速终端滑模控制律,代替传统自抗扰算法中的非线性控制律,从而实现位姿的快速精确跟踪。该算法既克服了非线性误差控制律中参数繁杂不易整定的缺陷,又增强了系统鲁棒性和轨迹跟踪的动态品质。对比仿真实验验证了该控制算法的有效性和先进性。     

A Novel Robust Attitude Control for Quadrotor Aircraft Subject to Actuator Faults and Wind Gusts

A novel robust fault tolerant controller is developed for the problem of attitude control of a quadrotor aircraft in the presence of actuator faults and wind gusts in this paper. Firstly, a dynamical system of the quadrotor taking into account aerodynamical effects induced by lateral wind and actuator faults is considered using the Newton-Euler approach. Then, based on active disturbance rejection control (ADRC), the fault tolerant controller is proposed to recover faulty system and reject perturbations. The developed controller takes wind gusts, actuator faults and measurement noises as total perturbations which are estimated by improved extended state observer (ESO) and compensated by nonlinear feedback control law. So, the developed robust fault tolerant controller can successfully accomplish the tracking of the desired output values. Finally, some simulation studies are given to illustrate the effectiveness of fault recovery of the proposed scheme and also its ability to attenuate external disturbances that are introduced from environmental causes such as wind gusts and measurement noises.