四旋翼无人机的偏航抗饱和与多模式PID控制

四旋翼无人机偏航运动能力比俯仰、滚转运动能力弱,因此在偏航运动上更容易出现执行器饱和.特别在外界干扰下,偏航常常出现饱和现象,对此从实际工程出发提出了一种多模式PID(MMPID)控制器,抑制偏航饱和,并保证在外界干扰情况下具有较好的偏航控制性能.首先,根据四旋翼无人机的动力学模型,设计了基于MMPID的偏航控制器.MMPID算法具有多模式特性,在满足一定条件时采取退饱和控制策略.其次,利用李亚普诺夫稳定理论证明了基于MMPID的偏航控制系统的稳定性.最后,通过四旋翼无人机偏航仿真实验比较了MMPID与变结构PID算法的抗饱和性能与偏航控制性能,结果表明MMPID算法具有明显的控制性能优越性.并且,通过四旋翼原型机实验验证了MMPID偏航控制器的有效性和鲁棒性.实验结果表明:在室内无干扰情况下,基于MMPID的偏航系统基本无执行器饱和现象,最终偏航角误差收敛到±0.05 rad;在室内加入干扰情况下,执行器退出饱和时间约10 s,偏航角误差收敛到±0.08 rad;在室外,偏航退饱和时间约5 s,偏航误差收敛到±0.13 rad.MMPID控制器有效地抑制了四旋翼无人机偏航运动上的执行器饱和,并可实现准确的偏航姿态控制和强鲁棒性.     

自抗扰PID四旋翼飞行器控制方法研究

针对传统PID控制算法不能很好地适应非线性被控系统、鲁棒性较弱、抗扰能力差等缺点,提出了一种基于传统PID控制与自抗扰控制结合的四旋翼飞行器控制方法。在传统PID控制器的基础上,对飞行器姿态解算过程中的不确定因素和外界干扰予以实时的观测和补偿。最后在Simulink中分别搭建传统串级PID控制器和自抗扰PID控制器的仿真模型,通过分析仿真结果得出自抗扰PID控制器的响应时间比传统串级PID控制器快约30%,稳态误差较传统串级PID控制器降低约15%,超调量降低约20%。由此得出自抗扰PID四旋翼飞行器控制方法能够很好地适应四旋翼飞行器非线性系统,达到抑制外界干扰以及补偿系统控制误差的效果。     

基于串级ADRC的飞行器控制器设计与扰动估计

针对四旋翼飞行器的不确定性和外界环境干扰等问题,设计串级自抗扰控制器。在分析飞行器动力学模型的基础上,利用非线性自抗扰对姿态环(内环)进行解耦,同时对位置环（外环）设计线性自抗扰控制器,组成双闭环系统。设计扩张观测器对内外环的总扰动进行估计与补偿,通过仿真平台利用定点悬停实验对所设计的控制器进行验证,并与PD ADRC串级控制器进行对比分析,结果表明,所设计的控制器跟踪速度较快,抗扰能力较强。     

四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究

为了检验自抗扰控制方法是否可以应用在四旋翼飞行器飞行控制系统。介绍了自抗扰控制器的原理以及基本组成。针对四旋翼飞行器低速飞行或悬停状态,提出了一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法并在仿真平台上进行稳定控制、高度控制实验,以及与PID控制系统进行对比分析实验。仿真结果表明：基于自抗扰的四旋翼飞行器控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性,本文所设计自抗扰控制器可应用在四旋翼飞行控制系统。     

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.     

基于自抗扰技术的四旋翼飞行器视觉伺服控制器设计

基于自抗扰控制技术的四旋翼飞行器视觉伺服控制器克服了惯性传感器无法获取位置信息的缺点,提高了飞行器的灵活性,能够胜任更复杂的任务;文章主要针对基于四旋翼无人飞行器的视觉伺服控制技术问题展开相关研究;选用基于HSV颜色空间的颜色特征提取的方法实现目标跟踪,再通过三角形法则确定飞行器与目标在世界坐标下的相对位置,最后引入自抗扰控制技术设计了水平位置控制器与姿态控制器;通过实验结果分析,文章设计的飞行器视觉伺服控制器可以准确地跟踪目标并实施高精度定位,并且控制系统鲁棒性强,跟踪误差小,能够有效地完成视觉伺服控制任务。     

改进EKF的自抗扰飞控系统设计

针对四旋翼飞行器系统强耦合、非线性、易受外界噪声干扰的问题,提出了一种自抗扰控制(ADRC)与改进的扩展卡尔曼滤波器(EKF)相结合的方法。该方法利用自抗扰控制器对四旋翼飞行器进行控制,采用改进的EKF滤除外界噪声干扰,将ADRC输出的最优控制量作为改进EKF的控制量,其输出带有测量噪声的飞行器姿态作为改进EKF的状态变量,经过改进EKF滤波修正后可输出较精确的姿态值。实验结果可知,该方法控制飞行器姿态稳定时间为0.7 s左右,较之串级PID控制,其姿态跟踪曲线更加平稳,高度控制的稳定时间减小了1.7 s,抗干扰能力提高了50%,表明该方法增强了四旋翼系统的稳定性和抗干扰能力,满足对四旋翼姿态控制的要求。     

四旋翼无人机时延模糊自抗扰容错控制

针对四旋翼无人机系统执行器故障问题，为改善飞行控制系统性能，提出一种时延模糊自抗扰容错控制。首先，根据四旋翼无人机系统非线性数学模型和执行器故障模型，选择模糊自抗扰控制器作为基准控制器，在未发生执行器故障的情况下，使飞行控制系统保持稳定；其次，在发生执行器故障的情况下，利用时延控制技术估计故障信息，并与模糊自抗扰控制相结合，实现容错控制；最后，对所研究的容错控制算法进行数值仿真分析，仿真结果表明：把时延控制与模糊自抗扰控制相结合，能有效调节执行器故障，使飞行控制系统对故障产生的干扰具有良好的鲁棒性。     

基于改进粒子群算法的四旋翼自抗扰控制器优化设计

针对四旋翼飞行器自抗扰控制器参数较多,人工整定困难且难以得到最优控制效果的问题,提出一种基于改进粒子群算法的四旋翼自抗扰控制器优化方法。在设计了四旋翼飞行器的自抗扰控制器之后,将自抗扰控制器的参数作为粒子群中的粒子进行迭代寻优,同时在传统的粒子群算法基础上,参考遗传算法,对适应值不好的粒子进行交叉保优,以提高粒子的多样性,加快寻优速度。仿真结果表明,对比人工整定参数的控制器,优化后的控制器超调更小,调节时间更快。该方法能够解决四旋翼飞行器自抗扰控制器人工参数整定困难的问题,且优化后的控制器具有更好的控制效果。     

四旋翼飞行器飞行姿态的自抗扰控制研究

四旋翼飞行器具有四个对称分布的螺旋桨,其在军事、国防、民用等领域都有着巨大的潜在应用前景。但同时因该系统的欠驱动、非线性等特性,故实现对其的稳定控制存在一定的难度。本文对于四旋翼飞行器的姿态控制问题,根据牛顿第二定律和欧拉方程建立了它的数学模型。并利用自抗扰技术对所建立的模型进行了研究,分别通过对偏航、俯仰、滚转三个角度的控制设计控制器以实现姿态控制,最后通过仿真实验验证了控制器的有效性。     

Modeling and Robust Backstepping Sliding Mode Control with Adaptive RBFNN for a Novel Coaxial Eight-rotor UAV

This paper focuses on the robust attitude control of a novel coaxial eight-rotor unmanned aerial vehicles (UAV) which has higher drive capability as well as greater robustness against disturbances than quad-rotor UAV. The dynamical and kinematical model for the coaxial eight-rotor UAV is developed, which has never been proposed before. A robust backstepping sliding mode controller (BSMC) with adaptive radial basis function neural network (RBFNN) is proposed to control the attitude of the eightrotor UAV in the presence of model uncertainties and external disturbances. The combinative method of backstepping control and sliding mode control has improved robustness and simplified design procedure benefiting from the advantages of both controllers. The adaptive RBFNN as the uncertainty observer can effectively estimate the lumped uncertainties without the knowledge of their bounds for the eight-rotor UAV. Additionally, the adaptive learning algorithm, which can learn the parameters of RBFNN online and compensate the approximation error, is derived using Lyapunov stability theorem. And then the uniformly ultimate stability of the eight-rotor system is proved. Finally, simulation results demonstrate the validity of the proposed robust control method adopted in the novel coaxial eight-rotor UAV in the case of model uncertainties and external disturbances.      

基于模型改进的LADRC在废液焚烧系统中的应用

针对废液焚烧系统强耦合、强干扰及非线性所带来的控制瓶颈,提出一种基于理想模型的改进型线性自抗扰控制（linear active disturbance rejection control,LADRC）策略。首先针对焚烧过程建立其理想模型,并设计相应的LADRC,然后将该控制器分别作用于理想模型和实际系统,根据两者的输出...     

Dynamic anti-windup design for anticipatory activation：enlargement of the domain of attraction

Traditional anti-windup compensators are designed for activation immediately at the occurrence of actuator saturation.Recently,anti-windup compensators were designed for actuation either after the saturation has reached a certain level or in anticipation of its occurrence.In the case of static anti-windup compensators,it has been shown that an anti-windup compensator designed for activation in anticipation of actuator saturation would lead to better performance than those designed for immediate or delayed activation could,both in terms of transient performance and the size of the domain of attraction.More recently,it has been shown that a dynamic anti-windup compensator designed for anticipatory activation would also result in better transient performance than those designed for immediate or delayed activation could.In this paper,we design dynamic anti-windup compensators for the enlargement of the domain of attraction.These compensators are designed respectively for immediate,delayed and anticipatory activation.We will show by simulation that a dynamic anti-windup compensator designed for anticipatory activation would result in a larger domain of attraction than a dynamic anti-windup compensator designed for immediate or delayed activation could.     

线性自抗扰控制的抗饱和补偿措施

控制输入约束是实际工业过程中普遍存在的现象,然而控制器设计中通常都假设执行机构动态是线性的,因此当执行机构存在约束时,执行机构输出信号与控制器输出信号不一致,使系统的动态性能降低,甚至导致系统不稳定.本文针对线性自抗扰控制(linearactive disturbance rejection control,LADRC)执行机构的约束问题,提出两种抗饱和补偿方案,利用LADRC扩张状态观测器估计控制器状态或者控制器输出与执行器输出的误差,从而使LADRC能快速消除饱和.将这两种方法用到含执行机构饱和的一阶惯性加迟延被控对象进行仿真研究,结果表明两种补偿措施下线性自抗扰控制器能得到较好的控制性能.随后本文将LADRC抗饱和思想推广到负荷频率控制系统(load frequency control,LFC)中,仿真表明基于误差补偿的抗饱和方案对于LFC系统更为有效.     

二阶系统线性自抗扰控制器频带特性与参数配置研究

本文从频域分析方法入手, 基于线性自抗扰控制器的闭环传递函数和频带特性曲线, 系统地分析了扩张状态观测器的跟踪估计能力和自抗扰控制器的稳定性、对外部扰动的抑制能力、对控制输入增益不确定性和模型参数不确定性的鲁棒性及其噪声传递特性, 探讨了系统动态特性与控制参数的关系; 在此基础上提出了控制参数的工程配置方法, 最后将其应用于某高精度武器控制系统, 验证该方法的有效性. 此外, 本文还分析了自抗扰控制器工程应用中的超调现象、控制量深度饱和以及前置滤波器设计等问题, 为工程设计提供理论依据和实践参考.     

Error-constrained path-following control for a stratospheric airship with actuator saturation and disturbances

This paper is concerned with the path-following control problem for an under-actuated stratospheric airship with error constraint, actuator saturation, and external disturbances. To address the tracking error-constrained requirements of airship position and attitude, novel tan-type barrier Lyapunov functions are proposed and incorporated with the guidance and attitude control schemes, which calculate the desired attitude and angular velocity. An auxiliary design system in the form of anti-windup compensator is employed to deal with actuator saturation, and the stability of the saturated control solution is verified. Nonlinear disturbance observer is developed to estimate the unknown external disturbances. Rigorous stability analysis shows that the constrained requirements on the airship position and attitude will not be violated under the proposed control method and all closed-loop signals are uniformly ultimately bounded, despite the presence of actuator saturation and disturbances. Simulation results and comparisons illustrate the effectiveness of the proposed controller.     

自抗扰实现飞翼布局无人机全包线飞行控制

本文以大展弦比飞翼布局无人机为研究对象,基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)理论设计了包含内环姿态控制和外环轨迹控制的全包线飞行控制器.在姿态控制中,提出一种抗时滞LADRC控制方法,可以有效解决控制延迟和执行机构动态特性引起的LADRC响应振荡;在轨迹控制中,考虑飞翼布局无人机的气动特性,分别设计了高度、航向、侧向偏离等常用飞行模态的跟踪控制器.仿真结果表明,在气动参数存在不确定性及强风干扰的全包线环境中连续飞行时,所设计的控制器具有较好的控制性能和较强的鲁棒特性.与常规全包线控制方案相比,本文设计的全包线飞行控制器待整定参数较少,参数整定过程相对简单,为进一步的工程应用提供了参考.     

一类执行器幅值与速率受限的线性系统静态抗饱和综合

讨论一类线性约束系统的静态抗饱和综合问题, 将执行器动力学特性引入增广系统, 从而化原系统为仅有幅值饱和的高阶增广系统. 提出基于线性矩阵不等式(LMI)的优化算法, 求得的静态抗饱和增益同时保证闭环系统的局部稳定性与最小化的L2增益. 仿真算例验证了方法的有效性.     

用PID控制近似线性自抗扰控制

线性自抗扰控制(LADRC)是结合PID和现代控制理论发展起来的新型控制方法,很多文献表明PID可以转化为LADRC,那么LADRC能否近似为PID,并且近似效果如何,目前没有确定的答案.本文首先证明LADRC的积分作用实际上包含在扰动的估计及补偿里,说明了二阶LADRC和PID的关系.然后根据LADRC阶数的不同,本文提出了实际PID+n阶超前环节的策略近似各阶LADRC.通过仿真实例,说明二阶和三阶LADRC和转化后的PID具有相似的抗干扰性能,但更高阶的LADRC转换得到的PID控制效果不如LADRC.因此,LADRC是PID控制在工业过程控制中的推广,具有更多的应用前景.     

Design of multiple anti-windup loops for multiple activations

This paper considers anti-windup design for linear systems subject to actuator saturation.Three anti-windup gains are designed for activations immediately at the occurrence actuator saturation,after the saturation has reached a certain level and in anticipation of the occurrence of saturation,respectively.The design is based on the minimization of L 2 gain from the disturbance to the controlled output of the resulting closed-loop system.Traditional anti-windup scheme involves a single anti-windup loop for immediate activation.A recent innovation is to design a single anti-windup loop for delayed or anticipatory activation,as well as to design two anti-windup gains,one for immediate activation and one for delayed activation.Our design of three anti-windup gains for three different activations is shown through simulation to lead to significant further performance improvement over the previous activation schemes.