基于双曲正切函数的二阶时变参数扩张状态观测器

当传统扩张状态观测器(ESO)的状态初值与系统的状态初值相差较大时,普遍存在微分峰值现象.为了消除这种现象,本文给出了用双曲正切非线性函数构造ESO的一般形式,并且用Lyapunov函数证明了二阶ESO的误差系统为渐近稳定.然后又利用双曲正切函数自身的饱和特性,设计出一种时变ESO,可以实现微分峰值的有效抑制.最后,把这种ESO的仿真结果与经典ESO的仿真结果进行对比,表明这里提出的ESO能够有效抑制微分峰值现象,并可以获得系统状态变量和非线性扰动的精确估计.     

基于反双曲正弦函数的跟踪微分器

反双曲正弦函数是光滑连续函数,具有快速并消除速度高频震颤的作用.利用反双曲正弦函数构造加速度函数,设计二阶跟踪微分器,证明了跟踪微分器的收敛性,并分析了跟踪微分器频域特性.仿真实验表明,该跟踪微分器能对输入信号进行低通滤波,且跟踪精度高,响应速度快;同时,它较好地抑制了微分信号的噪声放大效应,可以得到输入函数理想的微分信号.     

机械臂的改进型递归滑模动态面抗扰控制

针对机械臂关节运动的轨迹跟踪控制问题,研究了一种改进的递归滑模动态面抗扰控制方法。该方法考虑到机械臂系统存在的外部干扰,设计了一种基于非线性光滑函数的非线性扩张状态观测器(NLESO),对外部干扰进行估计并前馈至系统控制输出进行补偿;基于NLESO构造递归滑模动态面的控制策略,利用反双曲正弦函数和幂次函数构造一种新的非线性增益函数设计改进型动态面控制律。该方法避免了反推法存在的"微分爆炸"问题,有效解决了传统动态面控制存在的控制精度与动态品质之间的矛盾问题,基于Lyapunov理论方法分析证明了系统的稳定性。仿真结果表明,该方法响应速度快、控制精度高、抗扰能力强,抑制了滑模的抖振问题。     

广义非线性扩张状态观测器设计及性能分析

针对时变外扰,提出广义非线性扩张状态观测器设计方法.在分析传统扩张状态观测器的设计策略的基础上,通过对总扰动进行重构、引入广义扩张状态,设计反映扰动中已知分量的广义扩张状态观测器(扩张r+1阶).理论分析了观测器的收敛性,并得出了观测误差上界与扩张阶数的定量关系式.通过仿真对广义扩张状态观测器抑制外界正弦扰动的有效性进行检验,数值模拟结果表明,本文设计的观测器能够有效利用扰动中已知分量的信息,降低系统的不确定性,提高观测精度.     

级联式滑模观测器的永磁同步电机鲁棒滑模控制

提出了一种基于无速度传感器运行的永磁同步电机非线性控制方法。针对电机速度和位置观测,设计了一种新颖的级联式滑模观测器,解决了传统滑模观测采用低通滤波器的相位延迟问题。前级电流滑模观测器得到反电动势,后级反电动势滑模观测器获取转速和位置信息,利用李亚普诺夫理论进行了稳定性分析。针对速度控制,提出了带扩张状态观测器的滑模速度控制器取代PI调节器,提高了系统的鲁棒性。在滑模观测和控制中均利用双曲正切函数取代符号函数,削弱了系统抖振。将上述方法应用到永磁同步电机矢量控制系统中,通过仿真验证方法的有效性。     

四旋翼飞行器的轨迹跟踪抗干扰控制

针对四旋翼飞行器轨迹跟踪问题中系统存在模型不确定和易受到外界扰动的情况,提出了基于切换函数的扩张状态观测器设计方法来对系统中的扰动进行估计,并将估计值与滑模控制器的设计相结合,实现了对系统中非匹配不确定性和匹配不确定性的抑制且实现了系统跟踪误差的一致最终有界.首先,根据变量间的耦合关系将飞行器系统模型分解为两个子系统模型,设计扩张状态观测器对子系统中的非匹配不确定性进行估计,并将估计值作为变量加入到切换函数的设计中;进而基于切换函数设计扩张状态观测器以估计经切换函数重构系统中的扰动,并在控制器中对扰动进行补偿.最后通过李雅普诺夫理论证明了控制系统的稳定性.通过仿真验证了本文提出的方法能够有效实现飞行器轨迹跟踪控制且能够抑止传统滑模控制的抖振现象.     

基于ESO的无速度传感器PMSM系统自适应滑模FCS-MPC

为了提高三相永磁同步电机(PMSM)控制系统的性能,基于反双曲正弦函数的扩张状态观测器(ESO)技术,提出一种新颖的无速度传感器自适应滑模有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)策略,采用ESO技术构造PMSM系统转速和反电动势的观测器,实现对电机转速和反电动势快速准确估计.用带有负载ESO的自适应滑模控制作为系统的转速调节器,以提高系统的鲁棒性;利用基于快速矢量选择的FCS-MPC策略,达到减少转矩脉动、降低系统算法计算量的目的.仿真结果表明,基于ESO的无速度传感器自适应滑模FCS-MPC策略能够使PMSM系统可靠稳定运行,达到满意的转矩和转速控制效果.与基于积分型滑模面的自适应滑模FCS-MPC策略相比,所提出的控制策略能使系统具有良好的动态性能和抗负载干扰能力.     

一种兼顾带宽拓展和噪声抑制的ESO参数整定方法

从频域角度出发,提出一种兼顾观测带宽和噪声抑制的扩张状态观测器参数整定方法.首先推导传统扰动观测器与线性扩张状态观测器之间的等价关系,将三阶扩张状态观测器的参数整定问题转化为滤波器的设计问题;然后采用切比雪夫滤波器提升观测器性能.仿真结果表明,与已有的扩张状态观测器参数整定方法相比,所提出方法在提高扰动观测能力的同时,具有更好的噪声抑制能力.     

一类不确定对象的扩张状态观测器

利用观测器形式的跟踪一微分器,对形如ｘ＾（ｎ）＝ｆ（ｘ,ｘ,．．．Ｘ＾（ｎ－１）,ｔ）＋Ｗ（ｔ）的不确定系统给出了“扩张状态观测器”。只要适当选取观测器中的非线性函数和相应参数,它能很好地跟踪一批不确定对象的扩张状态。     

风扰动下固定翼无人机指令滤波反步着陆控制北大核心

针对存在模型不确定性及风干扰时的固定翼无人机纵向着陆控制问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的指令滤波反步控制方案。首先建立了风干扰下的无人机动力学模型。然后将无人机的高度和空速分开控制,利用反步法求取控制信号,并设计有限时间扩张状态观测器对复合干扰进行估计;同时,引入指令滤波器以避免传统反步法中的“微分爆炸”问题。最后通过Lyapunov理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明,所提出的控制方案能够实现对空速指令及高度指令的稳定跟踪,对模型不确定性及风干扰具有较好的鲁棒性。     

基于一种新型趋近律的自适应滑模控制

首先, 利用特殊幂次函数和反双曲正弦函数构造一种新型滑模变结构控制趋近律; 然后, 采用该趋近律设计一种自适应滑模控制律, 并证明滑模控制系统误差渐近收敛. 仿真实验表明: 在存在时变转动惯量和摩擦力矩扰动的情况下, 该自适应滑模控制系统具有较高的位置和速度跟踪精度, 并有效减弱了控制输入信号的高频震颤现象; 同时, 采用反双曲正弦函数的自适应律能较好地平滑系统转动惯量估计值, 减小控制输入信号的幅值.

     

Extended state observer for MIMO nonlinear systems with stochastic uncertainties

ABSTRACT

In this paper, both linear extended state observer (ESO) and nonlinear ESO with homogeneous weighted functions are proposed for a class of multi-input multi-output (MIMO) nonlinear systems composed of coupled subsystems with large stochastic uncertainties. The stochastic uncertainties in each subsystem including internal coupled unmodelled dynamics and external stochastic disturbance without known statistical characteristics are lumped together as the stochastic total disturbance (extended state) of each subsystem. The linear ESO and nonlinear ESO are designed separately for real-time estimation of not only the unmeasured state but also the stochastic total disturbance of each subsystem. The practical mean square convergence of these two classes of ESOs are developed. Some numerical simulations are presented to demonstrate the effectiveness of the ESOs with the advantages of smaller peaking values and more accurate estimation by the nonlinear ESO.     

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。     

线性扩张状态观测器及其高阶形式的性能分析

扩张状态观测器(ESO)作为自抗扰控制(ADRC)的核心组件,其自身及高阶扩展形式的性能分析与评估至关重要.借助Lyapunov逆定理证明了任意扩张阶数下线性扩张状态观测器(LESO)重构状态误差的收敛性,并得出了观测误差上界与扩张阶数的定量关系式;在分别考虑扩张阶数、观测器带宽以及剪切频率的情况下,探讨了高阶及传统LESO的动态响应、干扰抑制能力与观测器参数间的关系;最后,结合改进的ADRC控制器,在估计能力、峰值现象的抑制、滤噪性能等方面对高阶及传统LESO进行了性能评估与仿真验证.所得出的结论可为ADRC应用中ESO的选取提供有效的理论依据.     

自抗扰控制对具边界扰动和区间内反阻尼的波动方程的镇定

本文讨论边界具有外部扰动和区域内具有反阻尼的一维波动方程的的镇定问题. 主要的方法是后退反演变换和自抗扰控制方法. 即通过扩张状态观测器将扰动在线估计并在反馈控制中实时消除. 本文在扩张状态观测器中使用了两种增益调整策略——常数高增益与时变增益. 为避免常数高增益带来的峰值问题, 在控制环节中使用了饱和方法. 时变的增益可以在很大程度上减少扩张状态观测器中由于常数高增益引起的峰值问题同时可以达到完全消除干扰的镇定效果.     

Extended state observer for uncertain lower triangular nonlinear systems

The extended state observer (ESO) is a key part of the active disturbance rejection control approach, a new control strategy in dealing with large uncertainty. In this paper, a nonlinear ESO is designed for a kind of lower triangular nonlinear systems with large uncertainty. The uncertainty may come from unmodeled system dynamics and external disturbance. We first investigate a nonlinear ESO with high constant gain and present a practical convergence. Two types of ESO are constructed with explicit error estimations. Secondly, a time varying gain ESO is proposed for reducing peaking value near the initial time caused by constant high gain approach. The numerical simulations are presented to show visually the peaking value reduction. The mechanism of peaking value reduction by time varying gain approach is analyzed.     

Cryptanalysis of an embedded systems’ image encryption

Multimedia Tools and Applications - Recently, a new image encryption-scheme for embedded systems based on continuous third-order hyperbolic sine chaotic system, has been proposed. The...     

Active disturbance rejection control to MIMO nonlinear systems with stochastic uncertainties: approximate decoupling and output-feedback stabilisation

ABSTRACT

In this paper, we apply the active disturbance rejection control, an emerging control technology, to output-feedback stabilisation for a class of uncertain multi-input multi-output nonlinear systems with vast stochastic uncertainties. Two types of extended state observers (ESO) are designed to estimate both unmeasured states and stochastic total disturbance which includes unknown system dynamics, unknown stochastic inverse dynamics, external stochastic disturbance without requiring the statistical characteristics, uncertain nonlinear interactions between subsystems, and uncertainties caused by the deviation of control parameters from their nominal values. The estimations decouple approximately the system after cancelling stochastic total disturbance in the feedback loop. As a result, we are able to design an ESO-based stabilising output-feedback and prove the practical mean square stability for the closed-loop system with constant gain ESO and the asymptotic mean square stability with time-varying gain ESO, respectively. Some numerical simulations are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed output-feedback control scheme.