永磁直线同步电机伺服系统自抗扰反步控制器

为了提高永磁直线同步电机伺服系统的鲁棒性,提出基于自抗扰思想的反步控制器。将永磁直线同步电机伺服系统中的未建模动态和外界扰动定义为总和扰动,并扩充为系统新的状态变量。设计了线性扩张状态观测器估计不可直接测量的直线电机动子速度以及总和扰动,证明并分析了设计的线性扩张状态观测器的收敛性和估计误差。利用线性扩张状态观测器的输出,基于动态补偿线性化思想设计了反步控制器。证明了考虑线性扩张状态观测器估计误差的闭环反馈控制系统的稳定性。在Googol公司的实验平台上,验证了设计的自抗扰反步控制器的可行性。     

扩张状态观测器的观测误差前馈补偿设计

在"总和"扰动模型未知的前提下,针对线性扩张状态观测器跟踪时变信号精度不高的问题,设计出一种前馈观测补偿器。在分析线性扩张状态观测器观测原理的基础上,通过对扰动项的线性近似、误差系统动态响应的忽略,在时域内推导出观测静差的量化表达式,进而使用扰动微分项的估计值替代真值对观测作前馈补偿。理论分析了替代的可行性,证明了补偿器减小观测误差幅值、超前校正观测相位滞后的作用。将这一补偿思想推广至非线性扩张状态观测器中。通过仿真对补偿器提高观测精度、加快误差收敛的有效性进行检验,实验结果进一步表明,补偿器的引入能显著提高整个自抗扰控制系统的控制精度,从而证明了这种补偿思路的可行性。     

空间光通信粗瞄系统的扰动估计与补偿

粗瞄系统以直流力矩电机驱动二维转台为执行机构,通过粗瞄控制器对其进行控制。对系统受到的扰动进行分析,应用了最速跟踪微分器提取速度信号;以二维转台的方位轴为控制对象,在其位置环、速度环采用级联线性自抗扰控制器,通过线性扩张状态观测器主动补偿扰动,达到内外环双重隔离扰动的目的,提高跟踪精度;之后进行了实验分析。分析结果表明:在加入同样的模拟扰动信号,输入2 Hz,5 Hz和8 Hz的正弦信号时,与比例、微分、积分控制器相比,跟踪误差的标准差约降低50%;验证了线性扩张状态观测器具有扰动补偿效果;在输入不同频率正弦信号时,自抗扰控制器对输入信号频率的变化不敏感,仍能保证较高的跟踪精度。     

基于改进ESO的交流伺服系统FOPID定位控制

针对高炮炮控交流伺服系统高精度定位控制存在的外界干扰及诸多非线性因素,提出了基于连续光滑函数fan()的改进扩张状态观测器(ESO),并将其应用于分数阶PID控制器,即CS-ESO-FOPID。该控制器将所有外界干扰因素作为"总干扰"获取干扰实时量,并通过改进扩张状态观测器实现非线性因素的实时动态补偿。数字仿真证明,CS-ESO观测优于传统ESO观测,CS-ESO-FOPID的动态控制精度及对外部扰动的鲁棒性均优于FOPID控制,避免了基于传统ESO的分数阶PID易出现的高频颤振现象,从而验证了该控制策略的可行性和有效性。     

非线性干扰观测器的高超声速飞行器自适应反演控制

针对高超声速飞行器参数不确定弹性体模型,提出了一种基于非线性干扰观测器的自适应反演控制器设计方法。将曲线拟合模型表示为严格反馈形式,采用反演方法设计控制器。采用动态面方法获取虚拟控制量的导数,避免了传统反演控制"微分项膨胀"问题。为了增强控制器的鲁棒性,基于二阶跟踪-微分器设计了一种新型非线性干扰观测器,以此对模型不确定项进行自适应估计和补偿。仿真结果表明,控制器对模型不确定性和气动弹性影响具有强鲁棒性,且能实现对速度和高度参考指令的稳定跟踪。     

非线性干扰观测器的高超声速飞行器鲁棒反演控制

针对高超声速飞行器控制系统设计,提出一种基于干扰观测器的鲁棒反演控制器设计方法。采用反演控制方法分别设计速度和高度控制器。引入滑模微分器设计虚拟控制量的导数求解器,避免了传统反演控制"微分项膨胀"问题。为增强控制器的鲁棒性,设计一种非线性干扰观测器对模型不确定项进行自适应估计和补偿。通过数值仿真表明,该控制器能够保证对速度和高度参考输入的稳定跟踪。     

等效扰动的炮控系统非线性自适应补偿控制方法

坦克炮控系统内部存在摩擦、齿隙和参数漂移等多种非线性,严重影响了系统性能的发挥。基于“等效扰动”的思想,将系统的各种非线性环节等效为外部扰动,从而将复杂的非线性系统转化为带可测扰动的线性系统。在此基础上设计了基于扩张状态观测器的自适应模型跟随控制器,实现了炮控系统多种非线性的补偿控制,实验表明,这种控制方法能够有效地抑制非线性扰动的影响,改善系统性能,且易于工程实现。     

基于扩张观测器的三维有限时间收敛导引律

为了保证视线角速率在弹目碰撞前收敛到零附近的较小邻域内从而达到准平行接近的状态,本文基于自抗扰控制的不确定性估计补偿思想,应用反演控制方法设计了一种考虑导弹自动驾驶仪二阶动态特性和目标机动的三维有限时间收敛导引律。根据有限时间收敛控制理论,严格证明了系统的有限时间收敛特性;为抑制量测噪声,将传统跟踪微分器进行改进并应用于扩张状态观测器与反演控制的设计中。仿真结果表明:在自动驾驶仪响应延迟情况下,所设计的导引律能够导引导弹在有限时间内精确地拦截高速机动目标;改进的跟踪微分器精度高、响应快;基于改进跟踪微分器的扩张观测器估计效果理想。     

带扩张观测器的三维有限时间收敛导引律

为了保证视线角速率在弹目碰撞前收敛到零附近的较小邻域内,从而达到准平行接近的状态,基于自抗扰控制的不确定性估计补偿思想,应用反演控制方法设计了一种考虑导弹自动驾驶仪二阶动态特性和目标机动的三维有限时间收敛导引律。根据有限时间收敛控制理论,严格证明了系统的有限时间收敛特性;为抑制量测噪声,将传统跟踪微分器进行改进并应用于扩张状态观测器与反演控制的设计中。仿真结果表明,在自动驾驶仪响应延迟情况下,所设计的导引律能够导引导弹在有限时间内精确地拦截高速机动目标;改进的跟踪微分器精度高、响应快;基于改进跟踪微分器的扩张观测器估计效果理想。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器Terminal滑模控制

针对高超声速飞行器控制系统纵向平面轨迹跟踪问题,提出了一种基于干扰观测器的终端(Terminal)滑模控制器设计方法。将结构的弹性振动视为刚体动力学系统中的不确定因素,采用Terminal滑模控制方法设计速度和高度控制器。为增强控制器的鲁棒性,设计了一种非线性干扰观测器对模型不确定项进行自适应估计和补偿。仿真实验表明,该控制器对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性,能够实现对速度和高度参考输入的稳定跟踪。     

通用扩张状态观测器鲁棒飞行控制方法

针对存在参数不确定、外界干扰与测量噪声情况下飞行控制问题，提出一种基于通用扩张状态观测器的鲁棒飞行控制方法。首先基于状态相关的Riccati方程（SDRE）控制方法，对飞行器俯仰通道非线性模型进行扩展线性化；而后引入基于通用扩张状态观测器的控制方法，设计干扰补偿增益，实现对外界干扰的估计与补偿；最后通过在线解算状态相关矩阵及代数黎卡提方程，得出状态反馈增益与干扰补偿增益，实现对飞行器期望攻角的跟踪控制。通过与已有方法进行对比，验证了本文所提方法不仅对系统模型不确定性与外界干扰具有较强鲁棒性，而且在较大测量噪声情况下，其依然能够保证良好的跟踪控制效果，具有较强的工程应用价值。     

考虑输入受限的高超声速飞行器预设性能控制

针对考虑输入幅值与速率受限的高超声速飞行器跟踪性能问题,提出基于受限指令滤波器的预设性能控制方案。为了提高系统瞬态和稳态性能,设计预设性能反演控制器,并通过设计新的性能函数使得跟踪误差超调量更小。引入指令滤波器来处理反演控制器设计中难以求导的问题。针对输入受限问题,构造一种受限指令滤波器来约束系统控制律,保证控制输入满足幅值和速率的限制要求,并进行相应的理论证明。另外,考虑系统参数不确定性与外界干扰,采用线性扩张状态观测器进行观测并补偿。基于Lyapunov稳定理论证明系统的所有跟踪误差最终一致有界。通过仿真验证该方法的有效性。     

伺服电机积分型SMC速度控制策略

为解决伺服电机控制系统输出转速可控性差、波动大、动态响应慢等问题，提出积分型滑模变结构控制策略，设计负载转矩观测器解决控制过程中的负载扰动问题，基于Simulink搭建永磁同步电机速度控制系统仿真模型，搭建电机测试系统台架对控制系统的稳态性能和动态性能进行试验验证。研究结果表明，相比于传统比例积分微分控制和普通滑模变结构控制(Sliding Mode variable structure Control, SMC)，所设计的控制策略能够使控制系统达到稳态时速度波动较小，鲁棒性较好，抑制了SMC的抖振现象。     

线性扩张状态观测器的改进及观测精度分析

为提高线性扩张状态观测器的观测精度,加快其收敛速度,从偏差控制的基本原理出发,提出了一种应用于自抗扰控制系统的改进型线性扩张状态观测器。该改进型线性扩张状态观测器将各状态变量与其观测值之间的偏差作为各状态变量的调节依据。给出了改进后的二阶和三阶线性扩张状态观测器的观测误差系统的稳定性证明,并进行观测精度分析。仿真结果表明,该改进型的二阶和三阶线性扩张状态观测器比传统的同阶次扩张状态观测器的收敛速度更快、观测精度更高。     

伺服系统直流调速系统的改进型内模PD-I控制方法

为提高直流调速系统的控制性能,提出了一种改进型内模PD-I控制器的设计方法。根据直流电机的运行原理,建立了电机输出转速与输入电压变化率之间的数学模型,基于内模控制(Internal Model Control,IMC)原理和Taylor级数展开,设计了一种内模PD控制器,且可通过选择系统的截止频率实现控制器参数的整定。为了获得系统调节所需的控制作用,可将内模PD控制器与积分环节相串联构成改进型内模PD-I控制器,仿真和实验结果表明本方法可使系统获得更好的控制性能。     

基于MATD的高超声速飞行器反演控制

针对高超声速飞行器弹性体模型,提出了一种基于改进的反正切跟踪微分器(MATD)的鲁棒反演控制器。将控制系统分为高度和速度子系统,采用反演方法设计虚拟控制量和实际控制量。引入MATD对高阶系统虚拟控制量求导,避免了传统反演方法"微分膨胀"的问题。基于MATD设计干扰观测器,对模型不确定项进行精确估计,增强了控制器的鲁棒性。最后,通过实例仿真验证,该控制器对速度和高度指令具有很好的跟踪效果,且具有较强的鲁棒性。     

基于模糊基函数网络的机械臂免模型输出反馈PD控制

针对无速度信息的机械臂轨迹跟踪控制问题,提出了一种带观测器的机械臂免模型模糊基函数网络输出反馈PD控制。所设计的模糊基函数网络被用来估计关节速度,并同时用来补偿系统的未知不确定。网络的权值及参数调整采用混合算法,且能够在线自适应实时调整,不需要离线学习阶段。所提出的观测器及控制器均不需要任何的机械臂动态模型(包括惯性矩阵逆),并通过引入PD控制使整个方案更易工程实现。基于Lyapunov理论证明了整个闭环系统一致最终有界。两关节机械臂试验结果进一步证明了这种基于观测器的反馈控制算法的有效性。     

约束条件下导弹姿态跟踪保性能控制

针对BTT导弹在飞行过程中模型存在较大不确定性,并且控制舵的摆角受到物理装置约束的情况,研究了在约束条件下导弹姿态跟踪保性能控制的设计问题。首先在弹道的特征点处将导弹的非线性运动瞬时线性化,将导弹看作是一个不确定线性系统,提出应用基于线性矩阵不等式的跟踪保性能控制设计姿态控制器,然后推导得到满足控制约束的充分条件,以定理的形式给出了约束条件下跟踪保性能控制存在的充分条件。最后以某型导弹的姿态控制为例,设计了其姿态的跟踪保性能控制器。六自由度仿真结果表明了所得方法的有效性和可行性。