含执行机构未知动态的液压伺服系统输出反馈控制

针对含有未知动态(如:执行机构、负载等)液压伺服系统,提出一种基于未知系统动态估计器的输出反馈控制方法.该方法不依赖于函数逼近器和传统反步控制设计,且无需难以测量的系统内部状态.首先,为避免反步控制和系统全部状态,引入等价变换,将含液压执行机构的伺服系统高阶严格反馈模型转化为Brunovsky标准型,进而运用高阶滑模微分器观测转化后的系统未知状态.控制器设计中引入描述收敛速率、最大超调量和稳态误差的性能函数,保证预设控制系统稳态和瞬态控制性能.为补偿系统集总未知动态影响,设计一种仅含一个调节参数并保证指数收敛的未知系统动态估计器.该输出反馈控制器可以实现对系统输出的精确跟踪控制.最后,通过数值仿真结果表明了所提出算法的有效性.     

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.     

含死区高阶非线性系统自抗扰动态面控制

针对一类含有未知死区输入的不确定纯反馈非线性系统,为实现精准控制,提出一种新的基于扩张状态观测器的动态面控制算法.用扩张状态观测器代替函数逼近器在线估计高阶系统动态面控制中每一步的不确定函数.结果表明,估计误差显著降低,闭环控制性能得到实质性改善.此外,设计跟踪微分器来消除传统反推方案中计算复杂的问题.通过李雅普诺夫方法分析了具有自适应鲁棒控制器的闭环系统的稳定性.最后,对所提出的自适应鲁棒控制方案进行仿真,取得了满意的结果.     

基于干扰观测器的一类不确定仿射非线性系统有限时间收敛backstepping控制

针对一类不确定仿射非线性系统的跟踪控制问题,提出一种基于干扰观测器的有限时间收敛backstepping控制方法.为增强小脑模型(CMAC)泛化和学习能力,将非对称高斯函数和模糊理论相结合,给出非对称模糊CMAC结构,设计干扰观测器实现系统未知复合干扰在线准确逼近;基于非对称模糊CMAC干扰观测器,给出有限时间收敛backstepping控制器设计步骤,利用Lyapunov稳定理论证明闭环系统稳定性,其中采用非线性微分器获取虚拟控制量滤波和微分信息以避免backstepping设计中的微分“膨胀问题”,设计辅助系统修正因微分器带来的误差对系统跟踪性能影响,引入基于障碍型函数的自适应滑模鲁棒项抑制复合干扰估计偏差对跟踪误差的影响;将所提方法应用于无人机飞行控制仿真实验,结果表明所提方法的有效性.     

基于模糊状态观测器的燃气轮机转速传感器故障检测研究

为了更好的跟踪状态量可测的燃气轮机转速曲线,将模型参考自适应与模糊控制相结合,构造了燃气轮机转速模糊状态观测器,不断逼近系统实时转速输出,解决了传统状态观测器在模型不精确时易产生的误差累计和观测偏移的问题,并通过估计相对差和自适应阀值的比较实现传感器故障检测。利用 Lyapunov稳定性理论证明了观测器跟踪误差在有限时间区间内一致收敛到零。仿真结果验证了算法的可行性和有效性。     

移动机器人的线性自抗扰控制设计与实验验证

为了实现移动机器人的高精度轨迹跟踪控制, 设计了一种基于扩张状态观测器的扰动抑制方法和相应的 实验验证平台. 首先, 考虑到不确定扰动如车轮纵向和侧向滑动对移动机器人系统控制性能的影响, 建立了受扰下 的运动学模型; 然后, 基于扩张后的运动学模型设计了扩张状态观测器来估计系统扰动; 接着, 利用扰动估计构建 了线性自抗扰控制器, 并利用Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性; 同时, 基于MATLAB/Simulink软件和微控制 器搭建了所推荐控制算法的实验验证平台. 最后, 仿真和实验结果都验证了所提出控制方法的有效性.     

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,使扰动观测误差能够在有限时间内平缓地收敛到任意小的范围,消除不匹配扰动信号对模糊观测器设计的影响.同时在控制器设计中进行扰动的精确补偿,提高系统的抗扰动性.通过Lyapunov函数证明了闭环系统所有信号都是有界的.最后,通过数值仿真进一步验证了所提出方法的有效性.     

基于变参数模型的锂电池荷电状态观测方法

锂电池荷电状态(SOC)观测技术作为电池管理系统(BMS)的关键技术,在维持电池系统设备安全高效运作、延长电池组整体生命周期等方面均起着不可或缺的作用.本文以改善锂电池荷电状态的观测结果为目的,对锂离子电池荷电状态的观测方法进行了研究,基于二阶变参数锂电池模型,设计了一种有效的改善SOC观测精度的方法.首先,根据SOC的定义,建立了安时积分估计(AH),通过引入二阶变参数锂电池模型建立扩展卡尔曼滤波估计器(EKF),然后结合Takagi-Sugeno模糊模型原理,设计Takagi-Sugeno和EKF联合估计器(TS–EKF).最后,在Simulink仿真平台上验证了SOC观测方法的准确性和实用性.结果表明,本文所设计的Takagi-Sugeno和EKF联合估计器可以改善SOC观测精度.     

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.     

基于变参数模型的锂电池荷电状态观测方法（英文）

锂电池荷电状态(SOC)观测技术作为电池管理系统(BMS)的关键技术,在维持电池系统设备安全高效运作、延长电池组整体生命周期等方面均起着不可或缺的作用.本文以改善锂电池荷电状态的观测结果为目的,对锂离子电池荷电状态的观测方法进行了研究,基于二阶变参数锂电池模型,设计了一种有效的改善SOC观测精度的方法.首先,根据SOC的定义,建立了安时积分估计(AH),通过引入二阶变参数锂电池模型建立扩展卡尔曼滤波估计器(EKF),然后结合Takagi-Sugeno模糊模型原理,设计Takagi-Sugeno和EKF联合估计器(TS–EKF).最后,在Simulink仿真平台上验证了SOC观测方法的准确性和实用性.结果表明,本文所设计的Takagi-Sugeno和EKF联合估计器可以改善SOC观测精度.     

滑动与打滑条件下的轮式移动机器人自抗扰跟踪控制

针对具有未知的滑动与打滑的轮式移动机器人(WMR),提出了一种基于自抗扰思想的跟踪控制策略.首先建立了滑动与打滑条件下的轮式移动机器人动力学模型.其次,由反步法设计运动学控制器,基于模型设计线性扩张观测器和动力学控制器,并给出了控制器稳定性分析.最后与积分滑模控制进行了仿真对比,结果表明该控制方法的误差收敛速度更快.观测器能够精确估计滑动与打滑及动力学不确定性对机器人的扰动,提高了轮式移动机器人轨迹跟踪的鲁棒性.     

输入受限四旋翼飞行器的模糊自适应动态面轨迹跟踪控制

针对输入受限条件下四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和未知外界干扰的情况,提出一种模糊自适应动态面轨迹跟踪控制方法.该方法设计干扰观测器估计位置模型中复合扰动项,利用模糊系统逼近姿态模型中不确定项和外界干扰,并引入双曲正切函数和辅助系统处理输入受限问题,结合反演法和动态面技术设计轨迹跟踪控制器,以降低控制算法的复杂性,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界.应用大疆M100飞行器模型进行仿真验证,结果表明所设计的控制器能够有效处理模型动态不确定和未知外界干扰问题,避免飞行器工作过程中因输入饱和导致执行器失效现象,精确地完成轨迹跟踪控制任务.     

带执行器饱和的N 连杆机械臂输出反馈动态面控制

针对带执行器饱和的多关节刚性机械臂系统,提出一种基于RBF神经网络补偿的输出反馈动态面控制.通过观测器实现角速度的观测,采用RBF网络实现执行器饱和的补偿;通过Lyapunov方法证明闭环系统的稳定性,实现高精度的角度和角速度跟踪.仿真结果表明,所提出的方法能够有效补偿系统存在的执行器饱和,显著减小跟踪误差,并且对于外界干扰具有一定的鲁棒性.     

Adaptive output feedback formation tracking for a class of multiagent systems with quantized input signals

A novel adaptive output feedback control approach is presented for formation tracking of a multiagent system with uncertainties and quantized input signals. The agents are described by nonlinear dynamics models with unknown parameters and immeasurable states. A high-gain dynamic state observer is established to estimate the immeasurable states. With a proper design parameter choice, an adaptive output feedback control method is developed employing a hysteretic quantizer and the designed dynamic state observer. Stability analysis shows that the control strategy can guarantee that the agents can maintain the formation shape while tracking the reference trajectory. In addition, all the signals in the closed-loop system are bounded. The effectiveness of the control strategy is validated by simulation.     

An Optimal Control Strategy for Multi-UAVs Target Tracking and Cooperative Competition

An optimal control strategy of winner-take-all (WTA) model is proposed for target tracking and cooperative competition of multi-UAVs (unmanned aerial vehicles). In this model, firstly, based on the artificial potential field method, the artificial potential field function is improved and the fuzzy control decision is designed to realize the trajectory tracking of dynamic targets. Secondly, according to the finite-time convergence high-order differentiator, a double closed-loop UAV speed tracking the controller is designed to realize the speed control and tracking of the target tracking trajectory. Numerical simulation results show that the designed speed tracking controller has the advantages of fast tracking, high precision, strong stability and avoiding chattering. Finally, a cooperative competition scheme of multiple UAVs based on WTA is designed to find the minimum control energy from multiple UAVs and realize the optimal control strategy. Theoretical analysis and numerical simulation results show that the model has the fast convergence, high control accuracy, strong stability and good robustness.      

可穿戴五自由度上肢外骨骼机器人固定时间控制

针对可穿戴上肢外骨骼系统在外部干扰及参数不确定条件下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于观测器的固定时间控制策略.首先,采用拉格朗日方法对五自由度上肢外骨骼系统的动力学模型进行面向控制处理.其次,考虑模型中存在参数不确定及外部干扰,基于改进超螺旋算法设计了固定时间干扰观测器,实现对系统干扰的实时估计,完成对控制器的在线补偿;在此基础上,设计了非奇异终端滑模固定时间控制律,保证外骨骼关节角度跟踪误差在固定时间内收敛至原点.再次,基于Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性.最后,通过对比和数值仿真结果证明所提出控制策略的有效性.     

轮式移动机器人固定时间轨迹跟踪控制

针对存在外部干扰的轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种固定时间轨迹跟踪控制方案.首先,对于轮式移动机器人的运动学误差模型,基于一种新颖的积分滑模面设计固定时间运动学速度控制器,使跟踪误差在固定时间收敛到原点所在的邻域内;其次,对于轮式移动机器人的动力学模型,设计固定时间干扰观测器对外部干扰信息进行估计,提出一种固定时间轨迹跟踪控制器,以确保动力学系统的固定时间稳定性,实现轮式移动机器人的高精度轨迹跟踪控制;最后,通过仿真结果验证所设计的轨迹跟踪控制方案的有效性.     

Fixed-Time Output Consensus Tracking for High-Order Multi-Agent Systems With Directed Network Topology and Packet Dropout

This paper studies the problem of fixed-time output consensus tracking for high-order multi-agent systems (MASs) with directed network topology with consideration of data packet dropout. First, a predictive compensation based distributed observer is presented to compensate for packet dropout and estimate the leader’s states. Next, stability analysis is conducted to prove fixed time convergence of the developed distributed observer. Then, adaptive fixed-time dynamic surface control is designed to counteract mismatched disturbances introduced by observation error, and stabilize the tracking error system within a fixed time, which overcomes explosion of complexity problem and singularity problem. Finally, simulation results are provided to verify the effectiveness and superiority of the consensus tracking strategy proposed. The contribution of this paper is to provide a fixed-time distributed observer design method for high-order MAS under directed graph subject to packet dropout, and a novel fixed-time control strategy which can handle mismatched disturbances and overcome explosion of complexity and singularity problem.      

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     

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。