基于非线性状态误差反馈控制律的解耦控制器设计

从非线性状态误差反馈控制律的基本思想出发,给出了NLSEF解耦控制器的设计方法,并对控制量的变化率、控制量的正确实现等工程问题进行了讨论。

基于模糊非线性状态误差反馈策略的EPS回正控制

为了解决电动助力转向(electric power steering,EPS)系统回正控制中快速性与准确性之间的矛盾,提升回正控制的稳定性,文章针对PID控制中积分环节的不利影响及滑模变结构控制(sliding mode control,SMC)较为依赖精确数学模型的问题,采用了非线性状态误差反馈(nonlinear state error feedback,NLSEF)的EPS回正控制策略;对NLSEF的参数采用模糊化控制调节,以转向盘的转角及角速度作为输入变量,建立回正控制策略模型。台架试验结果对比表明,参数模糊化控制的NLSEF方案明显改善了EPS的回正性能,同一车速条件下,不论转向盘初始状态如何,都能快速、准确地操纵汽车回正。

基于微分同胚映射和扩张状态观测器的高压直流非线性控制器的设计

为提高高压直流输电系统的抗干扰能力以及模型辨识的准确性,提出了一种基于微分同胚映射和扩张状态观测器的高压直流非线性控制器设计方法。首先利用微分同胚映射将高压直流输电系统模型中的非线性因素作为系统的控制输入,利用线性最优反馈和非线性误差反馈率确定最优预控变量;然后运用扩张状态观测器来辨识所有不确定因素,从而实现非线性控制规律的设计。将其应用在整流侧定电流控制和逆变侧定关断角控制中,仿真结果表明,该方法能够降低系统的上升时间和调节时间,增强系统的稳定性。

考虑时滞因素时单元串联式静止无功发生器的非线性自抗扰控制

为了满足基于单元串联式静止无功发生器(SVG)的动态和抗干扰性能要求,设计了一种新型高阶自抗扰控制(ADRC)算法,并应用于单元串联式静止无功发生器,设计了最速控制综合函数安排过渡过程,并作为非线性状态误差反馈(NLSEF)控制律的控制算法。结果表明:所提控制算法采用非线性最速控制综合函数作为跟踪微分器(TD)和NLSEF的控制算法,解决了串联式SVG无功电流高频振荡和滤波差的问题。MATLAB仿真和样机实验结果表明,自抗扰控制方法动态过渡过程时间比比例谐振(PR)控制算法少100 ms以上;ADRC控制算法能避免滤波效果差及积分饱和的问题。研究结果验证了所设计的ADRC算法具有较好的动态性能和较强的抗干扰性。

永磁同步电机非线性自抗扰复合型控制策略研究

针对传统采用线性反馈的自抗扰控制器在误差收敛速度方面的不足,结合自抗扰控制思想,采用扩张状态观测器和非线性误差状态反馈的复合型控制策略,利用扩张状态观测器(ESO)观测系统扰动并进行前馈补偿,再通过引入非线性误差状态反馈(NLESF)生成控制量,使系统能够兼顾跟踪性能和抗扰性能,提高误差收敛速度。给出线性反馈和非线性反馈的跟踪性能和抗扰性能的对比理论分析,通过仿真对比PI,P+ESO,NLESF+ESO三种控制方式,验证了NLESF+ESO的复合型结构具有更快的误差收敛速度和更强的抗扰性能。

基于自抗扰方法的无人机控制律设计

针对多平台、多任务的无人机飞行控制律的快速开发问题,提出一种基于自抗扰方法的无人机控制律架构,设计了可复用的扩展状态观测器及微分跟踪器,研究对比了其在3种具有较大差异的无人机平台中的应用,使7 000 kg的超音速UAV_A获得了更优的敏捷性结果,在60 kg的缩比UAV_B完成了5.8g的半滚倒转大过载机动飞行试验,基于10 kg的平直翼UAV_C实现了12架机紧编队的精确轨迹控制飞行试验。仿真及试飞结果表明:所提自抗扰控制结构响应快速、控制精度高、鲁棒性强,能够较好地适应多类无人机、面向多种任务场景的控制需求,且不需调参就能够获得较好的控制效果,为飞行控制算法设计提供了新的技术途径。

高空舱进气环境压力模拟新型自抗扰控制

高空舱进气环境压力模拟控制系统在发动机开展过渡态试验中存在强气流扰动及大量随机噪声干扰,为此,提出新型非线性状态误差反馈函数xal及在结构上引入总扰动状态变量反馈环节来设计扩张状态观测器算法(记作xal-ESO),并以此提出基于xal-ESO的高空舱进气环境压力模拟新型自抗扰控制方法。借助数值仿真对比所提出的xal-ESO与常见ESO在状态与总扰动方面的估计能力,结果表明xal-ESO能有效抑制系统输出噪声并取得较好的估计品质。基于系统核心设备模型搭建高空舱进气环境压力模拟仿真平台并进行工程试验,对比了基于xal-ESO的自抗扰控制与当前工程中使用的线性自抗扰控制的进气环境压力控制效果,试验结果显示线性自抗扰控制方法受噪声影响明显,而所提出的新型自抗扰控制方法在发动机过渡态试验中跟踪进气压力时超调量降低了58.70%,稳态误差降低了95.71%,表明该方法能够有效提升高空舱进气环境压力模拟效果,提升发动机过渡态性能评价的准确性。

基于MIMO-ESO的高速飞行器自抗扰控制

针对高速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,设计了高速飞行器MIMO-ESO自抗扰姿态控制器。考虑各通道间的耦合影响,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器及非线性状态误差反馈律,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为“总和干扰”,利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性状态误差反馈律抑制补偿残差。仿真结果表明,MIMO-ESO自抗扰控制器能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性,克服了实际工程中难以建立精确被控模型并获取参数摄动范围的困难,具有工程应用价值。

基于滑模自抗扰控制的变绳长塔机防摆控制

塔式起重机在实际应用中,由于绳长的变化会加剧负载(货物)的摆动,使得货物很难被快速、准确地运输到指定的位置。因此,为了对塔式起重机负载进行精确定位及防摆控制,提出了一种基于滑模自抗扰控制(SM-ADRC)的变绳长塔机防摆控制方法。首先,根据拉格朗日方程得出了系统的动力学方程,并依据动力学方程将系统分为了变幅、回转、提升3个子系统,并对每个子系统分别设计了线性扩张状态观测器(LESO),观测和补偿了对应回路中因参数变化、系统耦合及外界因素引起的未知总干扰;然后,结合滑模控制(SMC),设计了带有干扰补偿的非线性误差反馈控制律;最后,在MATLAB/Simulink中,在快速性、鲁棒性方面,对比分析了滑模控制方法与滑模自抗扰控制方法的控制性能。研究结果表明:相比于滑模控制方法,滑模自抗扰控制方法对塔机防摆控制时间缩短了25.5%,并且该方法不仅可以提高塔机的快速响应性能,而且具有较强的鲁棒性和自适应性,可以对塔式起重机负载进行精确定位及有效的防摆控制。

三相电压型PWM整流器的自抗扰控制研究

三相电压型PWM整流器是一个多输入多输出的强非线性结构,并对三相电压型PWM整流器的数学模型和自抗扰控制器进行了原理分析;为了改善整流系统抗扰性及参数摄动等问题,采用一种改进型的非线性自抗扰控制方案,同时给出了离散形式的表达式;然后,重新构造了常规自抗扰控制器中非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)和扩张状态观测器(ESO)的非线性函数,以此来克服非线性函数的不平滑性能,从而减小整流系统输出的高频颤振现象;在MATLAB/Simulink环境下进行仿真和搭建了实验样机来验证,改进型自抗扰控制器与常规自抗扰控制器进行对比分析。结果表明了改进型自抗扰控制策略改善了交流侧电压和负载突变敏感的缺点,并降低了交流侧电流总谐波含量,且直流侧电压具有更好的动静态性和鲁棒性。

基于误差反馈补偿的攻击无人机角度和时间控制

在攻击无人机群协同攻击中,为了提高机群的整体突防能力,达到最佳的攻击和作战效能,有必要同时控制无人机的攻击角度和攻击时间。首先利用最优控制理论,在对飞行运动学模型进行线性化的前提下,通过加速度微分来实现对角度和时间的同时控制。但是,当终端入射角较大时,由于线性化假设不再成立,使得控制精度比较差。针对这一问题,利用具有高反馈效率的非线性误差反馈,把由于线性化引起的误差通过补偿反馈到系统回路中去,从而大幅度提高了控制精度。数值仿真结果验证了方法的有效性。

基于Buck-Boost变换器的无源性研究

Buck-Boost变换器在恒功率负载情况下可能会导致系统振荡,为保证系统稳定运行,文章采用端口受控的哈密顿模型设计一种新型无源复合控制器;首先利用正切函数改进非线性状态误差反馈控制,更新无源控制的内环控制器,获得期望电流值,进而提高的系统动态性能,减小静态误差;其次结合POPOV超稳定定理优化无源控制的外环控制器,保证无源控制在内部扰动或外部扰动情况下均能稳定输出;之后通过仿真将所设计的新型无源复合控制器与三种经典的无源控制方法比较得出:新型无源复合控制器不仅可以提高系统的抗干扰能力,还能解决超调与快速性无法协调的问题;最后利用实验平台验证文章所提算法的可实施性。

无齿轮永磁曳引机无称重传感器自抗扰控制策略

针对无称重传感器的直驱式永磁曳引系统起动时易发生倒溜问题,提出一种采用自抗扰的转矩控制策略,用以乘梯舒适性。利用扩张状态观测器与非线性误差反馈理论,设计自抗扰控制器来提升系统的动态响应速度,增强鲁棒性,从而减小电梯起动过程的倒溜距离和速度。为了选择最优控制参数,针对扩张状态观测器控制增益对系统响应的影响进行研究。另外,基于李雅普诺夫稳定性理论,对控制系统的稳定性进行分析。最后,在11.7 k W永磁曳引电机驱动系统上进行了实验,实验结果验证了该方法的有效性。

数控机床用磁悬浮系统自抗扰控制仿真研究

为了实现磁悬浮系统悬浮气隙的精确控制,提出运用自抗扰控制技术对横梁悬浮系统进行悬浮气隙控制,自抗扰控制器可以将系统模型参数变化和外扰作用均当作对系统的扰动而自动在线估计并予以补偿。对横梁磁悬浮系统建立的原始数学模型选择状态变量,得到系统的非线性状态方程,以线圈两端电压为控制量,设计悬浮气隙位置环和电流环双环自抗扰控制器,实现横梁悬浮系统的非线性控制。仿真结果表明,自抗扰控制具有良好的动态性能和抑制外来扰动能力,可以实现横梁无摩擦稳定悬浮。

基于微分平坦理论的单相PWM整流器直接功率控制

在αβ坐标系下建立了单相PWM整流器交流侧电压和功率的数学模型。根据微分平坦理论,选取了系统的状态变量、输出量和中间变量,提出了单相PWM整流器直接功率平坦控制策略。依据微分平坦设计的控制器分为前馈控制和非线性误差反馈补偿两部分。前馈控制用系统输出量的期望值来规划状态变量的运行轨迹;非线性误差反馈补偿校正控制系统平坦输出,消除了输出量期望值和实际值误差。仿真结果表明,在系统网侧电压的幅值和相位突变时,直流侧电压能保持较好的稳定性,且直流电压跟随有功功率和无功功率参考值的轨迹能快速作出响应,系统抗干扰能力强、鲁棒性好。

光电稳定平台变论域模糊自抗扰控制器设计

为了提高线性自抗扰控制(LADRC)应用下的光电稳定平台稳定精度及抗干扰能力,提出一种变论域模糊自抗扰控制(VFADRC)方法。在系统模型未知的情况下,在线性自抗扰的设计中引入不依赖模型信息的模糊控制器,使用伸缩因子函数实现变论域设计,并将VFADRC与线性自抗扰及模型辅助自抗扰(MLADRC)方法进行仿真对比。仿真结果表明:所设计的变论域模糊自抗扰控制器具有调节时间短、超调量小的优点,同时抗扰性能大幅提高,能够有效提高光电稳定平台的干扰抑制能力。

基于改进ADRC的四旋翼无人机抗干扰姿态控制系统设计

四旋翼无人机空气动力学特性复杂,易受干扰,从而影响对无人机的稳定控制。为提高无人机姿态控制系统的抗干扰性,设计了一个基于改进自抗扰控制的四旋翼姿态控制系统。将全局快速终端滑模控制技术与传统自抗扰控制技术结合,利用全局快速终端滑模控制技术优化自抗扰控制系统中非线性误差反馈控制律的功能,对自抗扰控制系统进行重新设计,并使用Lyapunov理论证明该控制系统的稳定性。仿真实验结果表明改进的自抗扰控制系统在姿态控制中有着更快的响应速度、更强的抗干扰能力。

基于改进型自抗扰控制器的NPC三电平逆变器中点平衡策略

针对中点钳位型三电平逆变器所固有的中点电位波动问题,建立直流侧中点电位的波动模型,提出一种基于分数阶自抗扰控制器(FOC-ADRC)的中点电压平衡策略。避免了传统ADRC的非线性误差反馈率(NLSEF)需要凭经验试凑三个没有明确物理意义的参数难题,便于应用到三电平逆变器的中点电位进行电压实时补偿。原理样机实验表明该方法具有较强的中点电压平衡性能,可以快速估测并抑制中点电压波动,同时减小输出电压电流的谐波。

三相电压型脉宽调制整流器的自抗扰控制

针对传统电压外环控制方法存在的抗扰性能不佳等问题,提出了三相电压型脉宽调制(PWM)整流器的自抗扰控制策略。基于PWM整流器在同步旋转坐标系下的数学模型,利用反馈线性化控制,设计了电流内环控制器。通过构造新型非线性状态误差反馈函数,对传统自抗扰控制进行了改进,从理论上证明了该方法收敛速度优于线性状态误差反馈函数,同时解决了控制力抖动问题。设计了基于改进型自抗扰控制的PWM整流器电压外环控制器,并给出了该控制器参数整定方法。实验结果表明,所提出的自抗扰控制策略可确保PWM整流器获得较好的稳态和动态性能,特别是在抵抗电网电压扰动和负载扰动方面具有优越性。

高超声速飞行器自抗扰姿态控制器设计

针对高超声速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器(extended state observer,ESO)及非线性状态误差反馈律(nonlinear law state error feedback,NLSEF),分别设计了高超声速飞行器内环和外环自抗扰姿态控制器。将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为"总和干扰"利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用NLSEF抑制补偿残差。自抗扰控制器(active disturbance rejection control,ADRC)设计无需精确的飞行器被控模型,也无需精确的气动参数及摄动界限。仿真结果表明,控制系统能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性。