航天器姿态机动及稳定的自抗扰控制

针对航天器动力学参数不确定性以及系统存在外部持续干扰的问题, 提出了一种自抗扰姿态控制器的设计方法. 在为期望姿态安排过渡过程的基础上, 设计了扩张状态观测器, 对参数不确定性和外部干扰进行估计, 并实时补偿. 为抑制跟踪误差, 设计了非线性状态误差反馈律. 仿真结果表明, 该控制器不仅能很好地估计并补偿系统受到的持续干扰, 而且对航天器动力学参数的不确定性具有较强的鲁棒性, 满足航天器姿态快速机动和高稳定度的控制要求, 性能指标明显优于PD控制.     

高动态离心机系统的自抗扰控制设计

针对传统PID在控制高速精密离心机系统时难以满足其高动态过程的要求,对系统目标过渡过程进行安排并设计了自抗扰控制器.所提出的自抗扰控制器包括3个部分:跟踪微分器、扩张状态观测器和误差反馈控制器.由于离心机在启动和制动阶段,系统状态会经历一个快速变化的过程,所以在离心机系统动态变化阶段采用跟踪微分器对目标函数进行过渡过程安排,防止系统出现过大超调;并且设计了扩张状态观测器对系统未知干扰进行估计和补偿;补偿后采用误差反馈控制器实现离心机系统高动态过程的跟踪控制.最后通过对自抗扰控制进行参数整定,使得系统满足所提出的各项性能指标要求.仿真结果验证了相比于传统PID控制,所提出的自抗扰控制器在超调量,调节时间以及稳态控制精度等性能指标上具有优越性.     

基于Simulink对自抗扰控制技术的仿真分析

基于对自抗扰控制技术(ADRC)的研究,通过编写M_function程序实现ADRC中的非线性函数,利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建和封装了扩张状态观测器(ESO)、跟踪微分器(TD)及非线性状态误差反馈(NLSEF)等自抗扰控制器的子系统并据此完成自抗扰控制器的建模。同时与工业上常用的PID控制器性能进行对比。     

高精度轨迹跟踪的6-PRRS并联机器人自抗扰控制研究

针对6-PRRS并联机器人控制系统的非线性、耦合等特性，采用分散控制策略。在关节空间设计强鲁棒性的自抗扰控制器对其进行控制．该自抗扰控制器由非线性跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性PD和扰动补偿4部分组成．具有模型补偿功能的扩张状态观测器可以获得系统的状态估计和未知外扰的实时作用量，使系统性能得到有效补偿．该控制器以离散的形式进行设计，易于工程实现．仿真结果证明了所提出的控制策略具有强鲁棒性，跟踪性能良好．     

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.     

基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计

针对四旋翼无人机强耦合、非线性的控制难点,研究设计了一种基于自抗扰控制和比例微分控制的双闭环控制器。首先,分析了小型四旋翼飞行器动力学模型,确定四旋翼无人机的六自由度方程。然后,利用自抗扰控制技术对强耦合、非线性的姿态模型进行了解耦,设计扩张状态观测器对其总扰动进行观测与补偿。其次,设计比例微分控制器对解耦后的系统进行位置跟踪,从而与姿态控制器组成双闭环系统。最后,通过仿真及试飞实验测试系统性能。仿真和试飞结果表明该系统能够完成对控制指令的实时跟踪,并且对干扰具有极强的抑制力。     

永磁同步电机的自学习滑模反步抗扰控制

针对永磁同步电机(PMSM)速度跟踪控制问题,设计了一种自学习滑模反步抗扰控制方法.该方法设计了基于类Sigmoid函数的改进型跟踪微分器(TD)用于对输入信号和虚拟控制信号进行滤波,避免了对信号反复解析求导产生的微分爆炸问题,并设计了扩张状态观测器(ESO)用于对外界负载扰动进行实时观测估计和补偿.为了削弱抖振和提高...     

用于带有量测噪声系统的新型扩张状态观测器

提出了扩张状态观测器的一种新的形式,用于处理量测环节带有噪声干扰时的情况.ESO可以对不确定系统中的内外扰动进行观测,并以此为基础构成自抗扰控制器.但其性能会受量测噪声的影响.本文利用滤波器消除噪声的影响,并把已知的滤波器方程扩展到原有的ESO中,以补偿滤波器对实际输出信号的偏移作用.数字仿真表明,该方法可以有效的解决输出噪声对扩张状态观测器的影响.     

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.     

四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法

针对四旋翼飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法.在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性以及风速变化等外部干扰问题.此外本文还设计了非线性状态误差反馈控制律来有效抑制跟踪误差.在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,本文所设计的自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒性,能够满足飞行器姿态调节快速和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器.     

An integrated approach to hypersonic entry attitude control

This paper presents an integrated approach based on dynamic inversion(DI)and active disturbance rejection control(ADRC)to the entry attitude control of a generic hypersonic vehicle(GHV).DI is frstly used to cancel the nonlinearities of the GHV entry model to construct a basic attitude controller.To enhance the control performance and system robustness to inevitable disturbances,ADRC techniques,including the arranged transient process(ATP),nonlinear feedback(NF),and most importantly the extended state observer(ESO),are integrated with the basic DI controller.As one primary task,the stability and estimation error of the second-order nonlinear ESO are analyzed from a brand new perspective:the nonlinear ESO is treated as a specifc form of forced Li′enard system.Abundant qualitative properties of the Li′enard system are utilized to yield comprehensive theorems on nonlinear ESO solution behaviors,such as the boundedness,convergence,and existence of periodic solutions.Phase portraits of ESO estimation error dynamics are given to validate our analysis.At last,three groups of simulations,including comparative simulations with modeling errors,Monte Carlo runs with parametric uncertainties,and a six degrees-of-freedom reference entry trajectory tracking are executed,which demonstrate the superiority of the proposed integrated controller over the basic DI controller.     

Active disturbance rejection control for power plant with a single loop

The cascade proportional‐integral‐derivative (PID) control method is widely used in power plant control field. In this paper, an active disturbance rejection control (ADRC) for a power plant with a single loop is introduced for eliminating the shortcomings of the cascade PID control method. The proposed controller based on the ADRC method consists of a tracking differentiator (TD), an extended state observer (ESO) and a nonlinear combination of errors. In this approach, the processes with higher orders, uncertainties and unmodeled dynamics are viewed as lower‐ordered systems with general disturbances, and the general disturbances are estimated by ESO, and then actively compensated. Besides, only one measured output is needed in the proposed method instead of two or three in the cascade PID control method. Some simulation studies compared with the regular cascade PID control method show the proposed method has better performance beyond the regular cascade PID control method. Copyright © 2010 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

大射电望远镜馈源指向系统轨迹跟踪自抗扰控制

采用独立控制策略实现新一代大射电望远镜馈源指向跟踪系统的高精度轨迹跟踪 .将两组成子系统之间的动力学耦合及其他扰动视为对精调Stewart平台子系统的未知扰动 ,设计了强鲁棒自抗扰控制器实现扰动补偿 .大射电望远镜馈源指向系统 5 0m缩比模型实验 ,验证了独立控制策略和自抗扰控制器的工程有效性和可行性 .为将来建造新一代大射电望远镜工程奠定了坚实的基础     

深空探测航天器姿态的自抗扰控制

本文针对一种带有挠性附件和液体晃动的深空探测航天器姿态控制问题,提出了自抗扰控制律.该控制律可以自主、有效地抑制挠性附件弹性振动和液体晃动对姿态角运动的耦合作用以及处理大范围的扰动和系统不确定性.基于四元数生成角速度跟踪指令,把控制问题由姿态角控制转化为角速度控制.通过设计扩张状态观测器实时估计并补偿角速度通道总扰动并结合角速度偏差反馈,使得角速度快速跟踪指令,进而实现控制目标.仿真结果验证了控制律的有效性和鲁棒性.     

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.     

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.      

空间充气展开绳网系统捕获目标自抗扰控制研究

空间充气展开绳网系统是依靠充气梁展开绳网进行目标捕获的航天器系统,具有更好的稳定性和可操控性.然而由于充气梁和绳网的大柔性变形以及捕获失稳自旋目标后的未知碰撞,使得捕获后的航天器姿态稳定控制困难.本文主要基于自抗扰控制解决了空间充气展开绳网系统捕获目标后的姿态稳定和消旋难题.首先,基于理想薄膜充压失效理论和绝对节点坐标方法建立充气展开绳网系统动力学模型,而后设计了航天器姿态稳定自抗扰控制器,用于实时估计并补偿系统捕获过程中未知惯量目标与捕获机构的碰撞干扰.仿真结果表明,动力学模型能够模拟捕获过程中充气梁的屈曲失效及碰撞特性,自抗扰控制器能够有效抑制碰撞带来的干扰,实现空间充气展开绳网系统捕获后的高精度姿态稳定控制,同时能够在有限时间内对自旋目标实现消旋.