Optimal Output Feedback Controllers for Spacecraft Attitude Tracking

This paper investigates the problem of output feedback attitude tracking control of a rigid spacecraft in the presence of external disturbances. Two optimal control laws with a disturbance estimator are developed to deal with this problem. An adapted extended state observer is used to estimate the angular velocity tracking errors and to allow for compensation for the total disturbances. The proposed control can be expressed as the sum of a nonlinear optimal controller and an estimated disturbance. For the optimal controller, the state‐dependent Riccati equation and optimal Lyapunov techniques are employed to solve the infinite‐time nonlinear optimal control problem. The developed controllers can minimize a performance index and ensure the stability of the closed‐loop system and external disturbance attenuation. On the other hand, using the adapted extended state observer, the asymptotic convergence of estimation error dynamics is proven. An example of multiaxial attitude manoeuvres is given and simulation results are included to demonstrate and verify the usefulness of the proposed controllers.     

含不匹配扰动非严格反馈系统的输出反馈补偿控制

针对一类非严格反馈非线性系统,系统中包含不确定函数和未知外部扰动,提出一种带不匹配扰动补偿的输出反馈模糊控制器.采用模糊逻辑系统逼近未知的非线性函数,同时构造模糊状态观测器观测系统未知状态.考虑观测器和控制器会受到外部扰动和模糊逼近误差构成的不匹配总扰动信号影响,采用改进的扰动观测器对不匹配扰动进行估计和补偿,使扰动观...     

基于扩张状态观测器的UCAV自适应滑模控制

针对固定翼UCAV（Unmanned Combat Aerial Vehicle）系统中存在的不确定性和外部扰动，设计了一种基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器用来抑制系统扰动，从而提高对于UCAV的控制性能。建立固定翼UCAV的六自由度非线性模型，针对姿态控制和速度控制分别设计扩张状态观测器对模型中难以精确测量的状态量和外部扰动进行估计，依据奇异摄动原理分别对姿态和速度设计自适应超扭曲滑模控制器，实现对UCAV的姿态和速度的跟踪控制。采用某型固定翼UCAV非线性模型对所设计的控制器进行仿真验证，并且与传统的自抗扰滑模控制方法进行了对比，仿真结果表明，基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器具有更小的超调量和稳态误差。     

基于扰动观测器补偿的机械臂非奇异快速终端滑模控制

针对机械臂系统在实际应用中存在的建模误差及未知扰动问题, 设计了一种基于扰动观测器的改进型非 奇异快速终端滑模控制策略. 通过扰动观测器准确估计系统存在的总扰动, 并设计恰当的非线性增益函数使扰动观 测误差指数收敛, 实现了对控制器的前馈补偿. 考虑到终端滑模存在的奇异性问题, 结合扰动观测器设计了非奇异 快速终端滑模控制器, 在保证跟踪误差有限时间收敛的同时抑制了滑模控制固有的抖振现象. 同时在控制器设计过 程中, 用fal函数代替sig函数有利于削弱滑模控制抖振, 提高系统稳定性及跟踪精度. 最后, 利用MATLAB软件进行 实验仿真, 验证了所设计控制器的有效性.     

固定翼无人机的自抗扰反步控制

针对固定翼无人机姿态和速度控制中系统存在模型不确定性和外界扰动的情况,本文设计了基于扩张状态观测器的反步控制器抑制系统扰动以提高无人机的控制性能.首先建立无人机速度误差模型和姿态误差模型,其中姿态误差模型采用四元数作为变量以避免欧拉角在描述姿态时存在的奇点问题和复杂三角运算;进而设计扩张状态观测器对系统中存在的扰动进行估计,并将扰动估计值与控制器设计相结合,分别设计出姿态控制器和速度控制器来抑制扰动的影响且使无人机姿态和速度收敛到期望值.最后基于李雅普诺夫理论证明系统的稳定性.仿真结果表明,本文所设计方法能够抑制系统中存在的扰动.     

异型曲面加工机器人自适应NDO控制

针对异型曲面打磨机器人中摩擦导致的加工精度降低的问题，提出了一种改进的非线性干扰观测器对其进行观测和补偿。建立了高精度工业机械臂的动力学模型，基于该模型设计非线性干扰观测器并应用李雅普诺夫函数稳定性理论给出了系统的稳定性分析。引入典型摩擦模型，利用观测器估计不可测的内部摩擦状态，并将估计值用于PD控制器中摩擦补偿部分。经过仿真以及实验验证，对比实验结果表明该观测器可以使系统的控制精度大幅提高，降低了仿真实验的跟踪误差，实验平台的控制精度提高了30%以上，能很好地补偿双关节机械手的摩擦力，更好地跟踪关节位置。     

基于ESO的船舶航向鲁棒自适应控制

针对具有内部未建模动态和外部不确定扰动的水面船舶设计一种鲁棒自适应航向控制器,并同时解决转向过程中的漂角补偿问题.基于二阶非线性Nomoto模型和一阶漂角模型,建立非积分链结构的漂角-航向非线性状态空间模型,将航向控制系统未建模动态与外部不确定扰动合并为复合扰动,应用扩张状态观测器估计模型中的未测量状态和系统复合扰动.基于Lyapunov稳定性理论和自适应反步法设计航向状态反馈控制规律,为避免反步法控制过程中的微分爆炸问题,采用动态面控制技术获取虚拟控制信号的近似导数.所提出的扩张状态观测器和航向控制算法能够保证闭环系统内所有误差信号一致最终有界,提高航向保持和转向过程中的航向跟踪精度.仿真结果验证了所提出的航向控制规律的有效性.     

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。     

基于收缩反步的不确定机械臂轨迹跟踪控制

针对不确定机械臂系统的轨迹跟踪控制问题,基于干扰观测器原理,提出了一种收缩反步控制算法.首先,采用非线性观测器对系统的模型不确定项和未知外部干扰部分进行观测.然后,使用收缩反步控制求解出控制输入力矩,从而实现对参考轨迹的精确跟踪,并分析二阶闭环系统的增量稳定性和Lyapunov方程解的原点指数稳定性.最后,将上述所提控制律应用于2-DOF机械臂,通过收缩反步与滑模控制的对比仿真,证明其有效性.     

带执行器饱和的柔性关节机器人位置反馈动态面控制

针对带有执行器饱和的柔性关节机器人系统,提出一种位置反馈动态面控制,以实现机器人连杆的角位置跟踪.在一般动态面控制的设计框架下,设计观测器重构系统未知速度状态,利用径向基函数神经网络学习饱和非线性特性,结合“最小参数学习”算法减轻计算负担.通过Lyapunov方法证明得出闭环系统所有信号半全局一致有界,跟踪误差可以通过调节控制器参数达到任意小.仿真结果表明,控制系统能够克服外界干扰,有效补偿系统存在的执行器饱和,实现柔性关节机器人的准确跟踪控制.该方法避免了传统反演设计存在的“微分爆炸”现象,简化了设计过程.     

推力矢量可倾转四旋翼自抗扰飞行控制方法

针对常规四旋翼难以实现位置和姿态独立控制问题, 研究了一种具有全向推力矢量的可倾转四旋翼飞行 器系统. 为克服系统的大范围不确定性、强耦合性及外部风扰影响, 设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控 制器. 通过建立风扰下的系统动力学模型, 分析阵风对旋翼气动力的影响. 接着将系统解耦为六通道单回路结构并 分别设计自抗扰控制器, 引入扩张状态观测器估计系统的内外扰动, 利用非线性状态误差反馈律输出扰动补偿控 制. 在此基础上, 通过变量代换线性化控制分配矩阵, 将控制器输出直接映射到旋翼转速和倾转角. 仿真结果表明, 所设计的自抗扰飞行控制器具有良好的位置和姿态独立控制能力, 能够有效地估计和补偿紊流风扰动, 同时对系统 的部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

基于改进型非线性干扰观测器的爬壁机器人轨迹跟踪

针对爬壁机器人建模不准确及容易受外部扰动的影响造成位置及姿态误差的问题,提出了一种基于改进型非线性干扰观测器的轨迹跟踪控制方案.首先通过反演控制设计了一个运动学控制器为机器人动力学控制提供参考质心速度与角速度.其次应用改进型非线性扰动观测器作为前馈控制对建模误差及外部扰动进行估计,并保证扰动误差以指数形式收敛.最后针对...     

考虑状态约束与执行器饱和的水下机器人轨迹跟踪控制

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设计一个非线性观测器进行估计并用于对控制器进行扰动补偿;接着,引入执行器饱和补偿系统、二阶滤波器以及滤波器误差补偿系统,设计命令滤波反步滑模控制器来控制水下机器人的水平面轨迹跟踪;最后,严格验证命令滤波反步滑模控制器的稳定性并进行数值仿真,验证所提出控制器的有效性.     

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。     

输出概率密度函数的最优跟踪控制:均方根B - 样条模型

在分析均方根B样条模型在实现输出概率密度函数最优跟踪控制时存在的问题的基础上,提出了将最优跟踪控制转化为非线性状态约束下的跟踪误差最优调节器,然后依据非线性状态约束和系统模型的特点分别设计了鲁棒变结构控制器及非线性观测器,并利用误差补偿控制来保证非线性观测器误差的有界性.仿真结果表明了提出的转换控制策略的有效性.     

单路径导引的车式移动机器人协同编队控制

针对含有模型不确定性和未知外部扰动的车式移动机器人集群,本文设计了一种分布式协同编队控制器,通过单条参数化路径导引,实现了车式移动机器人协同编队运动.本文首先在运动学层级设计了基于领航–跟随策略的队形制导律和路径更新律,其次在动力学层级设计了前向速度和姿态角控制律,通过线性扩张状态观测器估计并补偿系统模型中的非线性部分...     

基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能, 本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略. 论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型, 根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律, 设计了位置跟踪控制器, 所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器, 并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛. 为了进一步提高系统的抗扰动性能, 本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿. 然后, 文章对系统整体进行了稳定性证明. 最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证. 结果表明, 该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快, 对外部干扰具有强鲁棒性.     

Observer-based variable universe adaptive fuzzy controller without additional dynamic order

A high-precision fuzzy controller, based on a state observer, is developed for a class of nonlinear single-input-single-output (SISO) systems with system uncertainties and external disturbances. The state observer is introduced to resolve the problem of the unavailability of state variables. Assisted by the observer, a variable universe fuzzy system is designed to approximate the ideal control law. Being auxiliary components, a robust control term and a state feedback control term are designed to suppress the influence of the lumped uncertainties and remove the observation error, respectively. Different from the existing results, no additional dynamic order is required for the control design. All the adaptive laws and the control law are built based on the Lyapunov synthesis approach, and the signals involved in the closed-loop system are guaranteed to be uniformly ultimately bounded. Simulation results performed on Duffing forced oscillation demonstrate the advantages of the proposed control scheme.     

输出约束的有限时间自适应区间二型模糊输出反馈PMSM伺服控制

针对永磁同步电机驱动的伺服系统在不确定性摩擦和未知负载的影响下难以达到高精度的控制效果,提出一种基于区间二型模糊系统的带有输出约束的有限时间自适应输出反馈控制方案.首先,构建一个基于非线性扰动观测器的区间二型模糊状态观测器,分别完成对于未知扰动和速度的估计,区间二型模糊系统完成对于非线性摩擦的逼近;然后,在此基础上,结合滤波误差补偿机制和有限时间技术,引入障碍Lyapunov函数和反步控制技术设计输出约束的自适应区间二型模糊输出反馈控制器;最后,根据Lyapunov稳定性理论提出严格的稳定性分析,保证闭环系统的所有信号均是有限时间内有界的,并通过数值仿真和实验验证了所提出方法的有效性.     

Speed tracking control for the gimbal system with harmonic drive

This paper presents a composite controller based on a disturbance observer for the gimbal system of double-gimbal magnetically suspended control moment gyro (DGMSCMG) with harmonic drives. The controller removes the influence by coupling moments and nonlinear transmission torques. The disturbances are estimated by the designed disturbance observer. By introducing a state feedback controller, the disturbances can be eliminated from the output channel of the system. The gain selection principle of the disturbance observer is also analyzed. Both the simulation and experimental results indicate that the proposed control method can reject mismatched disturbances and improve system performance.