基于扩张状态观测器的鲁棒迭代学习控制

针对一类包含模型不确定和外界干扰等非重复扰动的线性离散系统,本文通过将迭代学习控制与自抗扰技术相结合,提出一种新的基于扩张观测器的鲁棒迭代学习控制方法.本文以时间轴和迭代轴两个方向同时出发考虑系统的非重复扰动估计和稳定收敛问题.将与时间和迭代轴同时相关的模型不确定及外界干扰等因素归纳为系统总扰动,针对其非重复变化特性给出了扩张观测器的设计,保证在批次内快速、准确地估计系统总扰动;基于上述扰动估计,设计新型的迭代学习控制律,利用线性矩阵不等式方法证明了整个鲁棒迭代学习系统的稳定性和收敛性,并给出合理的控制器参数估计条件.此外,讨论了迭代学习控制中第一批次的控制律设计问题,给出合理的自抗扰控制器设计.最后通过仿真对比实验验证了本文方法的可行性和有效性.     

线性/非线性切换扩张状态观测器

为了解决非线性扩张状态观测器(NLESO)对大幅度扰动估计能力有限的问题,本文提出一种线性/非线性切换扩张状态观测器.首先分析了非线性扩张状态观测器对大幅度扰动估计能力有限的原因,然后提出在NLESO的非线性区间引入一段线性扩张状态观测器(LESO)弥补NLESO的缺陷,其次从理论上证明了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的收敛性.最后,通过数值仿真验证了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的可行性.     

内模控制框架下时延系统扩张状态观测器参数整定

作为一种有效的控制设计方法, 自抗扰控制研究获得了广泛关注, 然而针对自抗扰控制器的参数整定方法则相对较少. 本文针对一阶惯性加延迟系统, 将线性自抗扰控制转化为内模控制结构, 导出了其中控制器、滤波器、乘性不确定性、互补灵敏度函数的对应表达式, 随后, 利用频域鲁棒稳定性判据, 分析了自抗扰控制器核心—–扩张状态观测器的参数对闭环系统稳定性的影响. 基于该分析, 总结出一阶惯性加延迟系统扩张状态观测器的两条参数整定准则. 数值仿真结果验证了该整定准则的有效性.     

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.     

三阶扩张状态观测器的优化参数配置方法

研究三阶非线性扩张状态观测器扰动观测性能的优化问题。首先,采用系数冻结法固定与观测器状态相关的非线性系数,利用线性系统的极点配置方法进行频带拓展;然后,分析配置后的极点随非线性系数的变化规律,在此基础上,提出一种保证扰动观测带宽受系统状态变化影响最小的参数配置方法;最后,通过算例和仿真对比表明了所提出参数配置方法的有效性和优越性。     

Generalized extended state observer–based repetitive control for systems with mismatched disturbances

A generalized extended state observer (GESO) is devised to improve the disturbances rejection performance in a repetitive‐control system (RCS) for a class of single‐input, single‐output nonlinear plants with nonintegral chain form and mismatched disturbances. By appropriately choosing a disturbance compensation gain and incorporating the disturbance estimate into a repetitive control law, a GESO‐based RCS is established. In this system, the repetitive controller ensures tracking of a periodic reference input, and the incorporation of the disturbance compensation into the control input enables attenuating the lumped disturbance from the system output. Stability criteria and design algorithms have been developed for the system. A case study on the speed control of a rotational control system exhibits that the GESO‐based RCS delivers not only a promising disturbance rejection performance but also a superior property of tracking performance.     

基于扩张状态观测器的车辆横摆稳定模型预测控制器设计

针对车辆横摆稳定性控制问题,本文提出一种基于扩张状态观测器的线性模型预测控制器设计方法.首先,将非线性车辆模型线性化,建立带有模型误差干扰项的线性模型,其中线性化导致的模型误差采用扩张状态观测器估计得到,并证明了观测器的稳定性.然后基于此模型设计线性预测控制器,近似实现了非线性预测控制器的控制效果,同时降低了计算量.最后,通过不同路况下的仿真实验结果,验证了所提方法的计算性能和控制效果.     

基于滑动窗实时小波降噪的扩张状态观测器及自抗扰控制EI北大核心CSCD

自抗扰控制技术应用已日渐成熟,但当系统中存在高频非平稳噪声信号时,线性自抗扰控制(LADRC)存在难以选取合适的观测器带宽的问题:当带宽较小时,线性扩张状态观测器(LESO)难以实现对总扰动的实时观测,会造成时滞;当带宽较大时,LESO又会放大噪声对系统的影响,从而造成总扰动观测失真.为了解决这一问题,将小波降噪环节加入LADRC中,通过设计基于滑动窗实时小波降噪的LESO,对含噪输出信号进行实时降噪.使用Simulink搭建系统模型,分别在输出信号中加入高斯白噪声或谐波等不同类型的高频非平稳噪声进行仿真实验,并将所提方法与滑动平均法进行对比,结果验证了所提方法的有效性.     

修改型扩张状态观测器:分析与实现

利用系统已知信息构造的扩张状态观测器(extended state observer,ESO)称之为修改型扩张状态观测器.本文完善了修改型扩张状态观测器(modified extended state observer,MESO)的假设条件,并分析了相对于常规的扩张状态观测器,修改型扩张状态观测器估计精度更高的原因.针对系统模型参数不确定情况,提出了基于最小二乘法的修改型扩张状态观测器实现方法,并详细论述了最小二乘法在线辨识系统模型的原理.仿真结果与理论分析结果一致,验证了修改型扩张状态观测器理论分析的正确性和实现方法的可行性.     

自适应扩张状态观测器收敛性分析与应用

为了实现自适应扩张状态观测器理论分析的简洁和工程应用的直观,本文提出了一种自适应扩张状态观测器(adaptive extended state observer, AESO),并给出了收敛性证明过程.然后,将其应用到直线电机伺服系统中,设计了基于AESO的PD控制器.实验结果表明,提出的AESO可以准确估计系统的状态和受到的干扰,并且可以消除高增益线性扩张状态观测器固有的峰化现象,同时还验证了设计的观测器–控制器的有效性.     

Control of the common rail pressure in gasoline engines through an extended state observer based MPC

In this paper, a model predictive control (MPC) solution, assisted by extended state observer (ESO), is proposed for the common rail pressure control in gasoline engines. The rail pressure dynamic, nonlinear with large uncertainty, is modeled as a simple first order system. The discrepancy of the model from the real plant is lumped as ``total disturbance'', to be estimated in real-time by ESO and then mitigated in the nonlinear MPC, assuming the total disturbance does not change in the prediction horizon. The nonlinear MPC problem is solved using the Newton/generalized minimum residual (GMRES) algorithm. The proposed ESO-MPC solution, is compared with the conventional proportional-integral-differential (PID) controller, based on the high-fidelity model provided in the benchmark problem in IFAC-E-CoSM. Results show the following benefits from using ESO-MPC relative to PID (benchmark): 1) the disturbance rejection capability to fuel inject pulse step is improved by 12% in terms of recovery time; 2) the transient response of rail pressure is improved by 5% in terms of the integrated absolute tracking error; and 3) the robustness is improved without need for gain scheduling, which is required in PID. Additionally, increasing the bandwidth of ESO allows reducing the complexity of the model implemented in MPC, while maintaining the disturbance rejection performance at the cost of high noise-sensitivity. Therefore, the ESO-MPC combination offers a simpler and more practical solution for common rail pressure control, relative to the standard MPC, which is consistent with the findings in simulation.     

基于广义扩张状态观测器的干扰不匹配离散系统状态反馈控制

针对一类干扰不匹配的线性离散时间系统, 研究基于广义扩张状态观测器的稳定化状态反馈控制器设计问题. 在经典的自抗扰控制器中, 扩张状态观测器主要针对干扰匹配的积分串联型系统. 然而, 在许多实际系统中往往存在干扰不匹配的情况, 例如存在采样抖动的离散时间控制系统. 针对这一问题, 基于一类存在不匹配干扰的离散时间系统, 提出广义扩张状态观测器和相应的稳定化状态反馈控制器设计方法. 最后通过永磁同步电机调速控制仿真实例验证了所设计的观测器和控制器的有效性.

     

A composite fractional order active disturbance rejection control method for a class of uncertain systems with multiple disturbances

The existing active disturbance rejection control (ADRC) method may not provide sufficient disturbance rejection to multiple mismatched disturbances for the fractional order systems. In this paper, a composite disturbance rejection approach is developed for a class of fractional order uncertain systems, by synthesizing the fractional order ADRC (FOADRC) approach and a disturbance observer (DO)-based compensation scheme. Taking advantage of more disturbance information and a filter structure, an improved DO is developed to achieve precise estimation of disturbances in the presence of sensor noises. In addition, a state transformation is developed to convert the system into a simple integral chain model with only matched disturbances. Then a composite control law is designed to compensate the disturbances and provide satisfying dynamic performance. The efficiency of the proposed method is demonstrated by a numerical simulation and an actual servo control simulation, as well as the comparison with two kinds of the existing ADRC methods and the commonly used integral sliding mode control (I-SMC) method.     

高阶线性自抗扰控制器的性能评估

以二阶系统为研究对象,在线性扩张观测器(LESO)的基础上,给出高增益形式的高阶LESO.基于高阶线性自抗扰控制器(HLADRC)二自由度闭环传递函数和频域特性曲线,证明了其状态估计误差的收敛性以及高阶线性自抗扰控制器的稳定性.同时,系统地分析了输入增益和模型参数不确定性对稳定鲁棒性的影响,推导出满足系统稳定条件的参数??的稳定域以及系统干扰抑制动态特性与带宽的关系.最后,通过与线性自抗扰控制器(LADRC)的对比仿真表明, HLADRC在干扰抑制方面具有很大的优势,而LADRC在稳定鲁棒性和控制品质方面具有更好的效果,从而为工程设计提供了理论依据和实践参考.     

基于参考模型的扰动观测器控制系统

为了补偿控制系统的未知动态和外部扰动,论文提出一种基于参考模型的扰动观测器控制系统.首先,分析了二阶理想参考模型控制系统的设计,并通过闭环传递函数证明了参考模型控制系统的稳定性.然后,设计了二阶系统扰动观测器和基于参考模型的扰动观测器控制律,分析了二阶闭环控制误差系统收敛性.并推广到n阶控制系统,证明了n阶闭环控制误差...     

基于扩张状态观测器的无速度传感器容错逆变器驱动永磁同步电机系统自抗扰模型预测转矩控制

针对三相四开关逆变器驱动永磁同步电机(PMSM)系统,基于扩张状态观测器(ESO)技术,提出了无速度传感器的自抗扰模型预测转矩控制(ADRMPTC)策略.建立了三相四开关逆变器驱动PMSM系统的数学模型;采用ESO技术构造了PMSM系统转速观测器,以实现对转速快速准确地实时估计;用自抗扰控制器(ADRC)作为系统的转速调节器,以提高系统的鲁棒性;利用模型预测转矩控制(MPTC)方法,以达到减小转矩和磁链脉动的目的.所设计基于ESO的无速度传感器ADRMPTC策略能够使三相四开关逆变器驱动的PMSM系统可靠稳定运行,达到满意的转矩和转速控制效果.与基于PI的MPTC策略相比,本文控制策略使PMSM系统不仅具有良好的动态性能,而且具有较强的抗负载干扰能力.仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性.     

基于扩展状态观测器的随机隐Markov正跳变系统有限时间异步控制

针对一类含不匹配扰动的随机隐Markov跳变系统, 本文研究了基于扩展状态观测器(ESO)的有限时间异步 控制问题. 首先, 引入一组扩展变量将隐Markov跳变系统转换成一组新的随机扩展系统, 补偿不匹配扰动对系统控 制输出的影响. 基于Lyapunov–Krasovskii泛函方法, 给出使得基于ESO的闭环随机隐Markov增广跳变系统是正系 统, 且有限时间有界的充分条件. 进而得到直接求解观测器增益和控制器增益的线性矩阵不等式. 最后, 通过仿真结 果验证了本文所设计的异步状态反馈控制器和观测器的有效性和可行性.     

迭代扩张状态观测器及其在迭代学习控制中的应用

针对一类迭代学习控制(ILC)系统的不确定项,根据时域中扩张状态观测器的思想,提出迭代域中线性迭代扩张状态观测器(LIESO),该线性迭代扩张状态观测器可以利用迭代过程的跟踪误差给出迭代学习控制系统的不确定项的显式估计。给出了基于该估计的迭代学习控制算法,并应用类Lyapunov方法证明其收敛性。仿真结果表明,所提出的迭代学习控制算法是有效的,应用迭代扩张状态观测器可以大幅度提高迭代学习效率。     

基于干扰观测器的一类奇异系统H∞控制

提出了一种基于干扰观测器的奇异系统鲁棒H_∞控制方法.外部干扰广泛存在于奇异系统中,为了降低其对系统的影响,设计了一种奇异系统干扰观测器以估计系统干扰.然后给出闭环系统相容的条件,设计一种基于干扰观测器的鲁棒控制器,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性,通过设计指标函数得到闭环系统具有鲁棒性能的条件.相对于传统鲁棒控制方法,基于干扰观测器的方法降低了系统设计的保守性.最后,通过仿真实验验证了所提出方法的正确性和有效性.     

基于马尔科夫预测的多传感器故障检测与诊断机制

随着无线传感器网络应用规模的不断扩大,各类应用中传感器故障检测与诊断成为系统正常作业、安全可靠性保障的关键技术。针对多传感器系统与节点工作过程定义3种状态,基于故障检测信息建立状态转移矩阵,通过马尔科夫模型预测传感器故障信息,为故障检测与诊断提供决策依据。另外,拓展数据包信息字段包括故障类型、节点定位等,故障处理后节点转移至正常状态后将故障处理和诊断特征等信息存储到网关或者汇聚节点,为改善故障检测精度和诊断效率以及系统资源利用率提供依据。实验结果表明：所提故障检测与诊断算法与传统算法相比,具有更高的故障检测精度,更短的故障诊断时延、能够准确判断故障类型等性能。