基于变增益扩张状态观测器的永磁同步电机转速环自抗扰控制器设计

线性扩张状态观测器(LESO)在观测初始阶段,系统状态量实际值与估计值误差较大。由于LESO高增益的影响,导致LESO在初始时刻的扰动估计输出出现很大的峰值,而且观测器增益越大,峰值现象越严重。针对上述问题,设计了一种变增益扩张状态观测器(TESO),其增益是一个时变函数,在初始时刻为较小的函数值,随着时间逐渐增大,直至趋于一个较大常数。利用李雅普诺夫变换和微分代数谱理论给出了参数整定公式。将线性自抗扰控制器(LADRC)中的扩张状态观测器替换为TESO,并将其应用于永磁同步电机转速控制中,计算机仿真和系统试验验证了该控制器设计的有效性。

基于时变增益扩张状态观测器的逆变器系统自适应super-twisting电压鲁棒控制

针对电压源逆变器系统中负载扰动和参数摄动,本文提出了一种基于时变增益扩张状态观测器的自适应super-twisting鲁棒电压控制新方法.首先考虑负载扰动,建立单相逆变器系统的动态模型,进而考虑系统参数摄动,通过引入非测量辅助状态变量,将上述动态模型转化为只包含匹配扰动的状态方程;其次,设计时变增益扩张状态观测器,以实现对非测量辅助状态变量与包含负载变化和参数摄动等因素在内的集总不确定项的估计;最后,基于此扩张状态观测器,设计采用自适应super-twisting算法的滑模控制律,以实现逆变器系统输出电压对其参考电压的快速准确跟踪并增强系统鲁棒性.仿真实验结果表明:所提出的时变增益扩张状态观测器可在保证观测误差收敛的同时,有效抑制"初始微分峰值"现象;采用自适应super-twisting算法的滑模控制策略可使逆变器系统输出电压具有较高跟踪精度和较小总谐波失真率,增强系统的抗干扰能力,并降低控制输入信号"抖振".

基于双频扩张状态观测器的无人机抗扰控制

针对实际系统中普遍存在的非匹配快变扰动和量测噪声问题,提出了一种基于双频扩张状态观测器(BESO)的反步抗扰控制方法。双频扩张状态观测器通过方向转换因子和双带宽比例因子调整观测器的带宽,在准确估计快变扰动的同时可避免放大量测噪声。在此基础上结合反步控制,形成一种逐级补偿的控制结构,通过Lyapunov方法设计了控制律,可保证系统对非匹配扰动的渐进稳定。针对工程应用,进一步给出了控制器参数调节的建议。将所提控制律应用于微型四旋翼无人机的定高控制,仿真结果验证了其补偿非匹配扰动和抑制量测噪声方面的有效性。

基于扩张状态观测器的永磁无刷直流电机滑模变结构控制

根据无刷直流电机的数学模型和滑模变结构控制的特点,把换相引起的相电流变化当作外界对电机的干扰,建立了一个模型。根据此模型,构造了滑模变结构控制器,运用其对各种扰动不敏感的特性来抑制各种干扰对电机的影响。扩张状态观测器是一种性能良好的观测器,它不仅能得到不确定对象的状态,还能获得对象模型中内扰和外扰的实时控制量。电机的负载转矩用扩张状态观测器来准确估计,所以把它当作一个已知扰动来控制,这样提高了系统的控制精度。MATLAB仿真表明,与经典PID控制器相比,用滑模变结构控制器控制无刷直流电机,超调量小,速度响应快,且速度响应受电机参数变化影响小,各种外界干扰也得到了很好的抑制。用TMS320LF2407ADSP来搭建硬件电路,证明本控制器在实时控制中取得了很好的实验性能。

基于增益连续扩张状态观测器的永磁同步电机电流解耦控制

为解决传统电流解耦控制方法在电感参数失配时解耦效果不佳的问题,提出一种基于增益连续扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的电流解耦控制方法。该方法通过ESO获得了电阻压降、交叉耦合、以及其他确定和不确定因素所引起扰动的综合观测和补偿。扰动补偿控制不仅实现了励磁和转矩控制回路间的解耦,而且将各子系统控制对象简化为一阶积分环节,从而使得调节器无需积分项,简化了设计,克服积分饱和所带来的不利影响。与基于fal()函数的常规ESO不同,文中提出了一种具有连续可微特性的非线性函数,在优化fal()函数"大误差小增益,小误差大增益"特性的同时,克服其增益在切换点处的突变问题,且所提非线性函数具有统一表达式,避免切换点判断。论文对ESO参数选择、系统稳定性等进行了讨论。最后,通过实验进行验证。

基于滑模变结构和高增益状态观测器的直流电机位置控制

针对直流电机位置跟踪控制,提出一种基于高增益状态观测器的直流电机位置滑模控制算法.首先建立直流电机状态空间表达式;然后设计高增益状态观测器,观测直流电机的速度和电流及其导数信号,选取合适的极点保证观测器的准确性和稳定性;最后改进滑模变结构控制算法的指数趋近律,在只采用位置传感器、电流和速度及其导数信号通过状态观测器得到的情况下,实现直流电机的位置跟踪控制,使控制系统具有较好的控制性能且易于硬件实现.对比传统滑模和PID算法,验证了该算法的有效性.

基于线性扩张状态观测器的机械臂变负载滑模控制

大型串联机械臂液压控制系统存在变负载及外干扰问题,机械臂不同工作姿态的等效质量会造成液压缸系统固有频率变化,影响系统动态特性,为此提出一种基于线性扩张状态观测器的滑动模态控制策略(LESOSMC)。以破拆机器人机械臂为研究对象,仿真试验结果表明:LESOSMC在机械臂处于不同姿态时,保持了很好的动态特性和稳态精度,对周期正弦信号也具有良好的跟踪性能。LESOSMC在机械臂变负载控制中具有良好的鲁棒性,满足重载液压机械臂关节位置控制的要求,为解决液压重载机械臂关节液压缸的位置控制提供了有效的工程方法。

基于扩张状态观测器的永磁同步电机滑模变结构位置伺服控制

针对带有未知摩擦力矩和模型不确定的永磁同步电机位置伺服系统,提出两种基于扩张状态观测器的滑模变结构位置伺服控制策略。在系统存在状态未知和非线性特性有界的情况下,设计扩张状态观测器来观测系统的未知状态和非线性不确定项,并根据观测值设计降阶线性滑模控制和无抖振全阶滑模控制两种控制方法。仿真结果表明,降阶滑模控制方法控制精度较高且鲁棒性较强,而全阶滑模控制方法可以有效消除滑模控制中的抖振问题,便于实际应用。

基于扩张状态观测器的SVC非线性变结构控制

针对电力系统的强非线性和不确定性,将自抗扰控制技术引入变结构控制器的设计,设计了能同时改善电力系统功角稳定和装设点电压动态特性的静止无功补偿(SVC)控制器,所得的控制规律与系统运行点和网络结构完全无关。仿真结果表明所提出的非线性变结构SVC控制器能有效地改善系统的动态稳定性。

基于扩张状态观测器的非线性变结构控制器研究

本文针对极点配置法扩张状态观测器ESO的不足,充分利用系统已知信息设计出一种新型ESO,并将其与变结构控制理论相结合,提出一种非线性鲁棒变结构控制器的设计方法,克服了基于反馈线性化理论的非线性控制因数学模型的误差而影响控制器性能的缺点。仿真结果表明所设计的非线性鲁棒变结构控制器对于对象模型参数摄动和外扰具有良好的适应性和鲁棒性。

基于扩张状态观测器七阶混沌振荡电力系统的滑模变结构控制

为抑制七阶电力系统中的混沌振荡,基于扩张状态观测器为其设计了形式简单的滑模变结构控制器。通过为电力系统模型引入储能装置的动态模型,最终构建了一个复杂的受控十阶电力系统动力学模型。为受控电力系统定义滑模函数后,可以将混沌控制问题归结为三个一阶非线性系统的镇定问题。为了镇定一阶非线性系统,为其设计了扩张状态观测器及控制输入,证明了在所设计控制输入的作用下能够使其状态变量以有限时间收敛于原点的邻域之内,并将所设计的扩张状态观测器及控制器用于电力系统混沌控制。最后,对扩张状态观测器的观测效果及控制器的控制效果进行了数值仿真分析。基于已有的扩张状态观测器设计方法,所设计的控制输入不包含受控电力系统复杂系统函数的导数项,从而有效提升了所设计控制器的工程实用性。

基于滑模变结构和扩张状态观测器的电动舵机复合控制方法

为提高电动舵机伺服系统的鲁棒性,同时解决实际工作中电动舵机不确定负载引起的跟踪精度低的问题,提出了一种采用指数趋近率的滑模变结构控制率结合扩张状态观测器对负载扰动进行实时估计的电动舵机的伺服控制方法,给出了控制器设计方法和试验验证。仿真和试验结果表明,与常规的滑模控制器相比,采用扩张状态观测器的变结构控制能有效提高电动舵机的跟踪性能。

基于扩张状态观测器的连铸结晶器振动位移系统自适应滑模控制

针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在时变负载转矩、参数不确定性等问题,本文提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的自适应非奇异终端滑模(nonsingular terminal sliding mode,NTSM)控制方法.首先,设计ESO对系统存在的综合扰动和不可测状态进行估计.然后,采用分层设计的方法,分别对位移跟踪子系统和电流环子系统设计基于ESO的自适应NTSM控制器和滑模控制器.为削弱ESO估计误差对跟踪精度的影响,在NTSM控制器中引入了自适应增益.可以证明,所设计的控制器能够保证闭环系统所有信号有界,系统状态可渐近收敛到原点附近的小邻域内.最后,仿真结果验证了所提出控制方法的有效性.

基于状态观测器的变结构末制导律设计

本文针对仅有相对距离和视线角可测的导弹,设计了一种基于状态估计的变结构末制导律。将非线性项和目标机动视为新的状态变量实现对原相对运动方程进行的扩张,设计扩张状态观测器实现对不可测的相对距离变化率和视线角变化率的估计。基于扩张观测器的估计值,利用变结构控制理论设计了保证切向速度趋向于零的末制导律,从而实现导弹直接命中目标,并从理论上对制导回路的稳定性进行了证明。最后进行了数学仿真,仿真结果表明在设计的制导律脱靶量较小,验证了扩张观测器和制导律的可行性。

变桨风力机非线性扩张状态观测器PID控制

针对风力发电系统的非线性和时变性,常规PID控制已经很难满足风电控制系统的需要。提出一种基于非线性扩张状态观测器-PID(Nonlinear extended state observer PID,NESO-PID)的双闭环变桨控制策略。该策略考虑到风力发电系统的外部干扰和内部扰动,输入端把转速偏差和功率偏差通过PID控制器进行控制,变桨部分设计一个状态观测器对系统桨距角和风轮转速干扰信号进行测量,把测量结果作为新的状态变量输入观测器,并将观测器的观测信号反馈到输入端实时补偿。通过Matlab/Simulink仿真验证,非线性扩张状态观测器PID变桨控制比常规PID变桨控制具有更好的动态特性和鲁棒性。通过仿真实验,可以使学生观察系统的状态变化过程,加深对知识的理解,能够有效提高教学效果。

基于扩张状态观测器的磁阻电机鲁棒控制

针对开关磁阻电机伺服系统模型存在不确定性的问题,引入一种基于扩张状态观测器的增益修正H∝鲁棒设计方法来设计伺服系统控制器,回避了传统控制器设计中对系统模型精确建模的要求.将系统模型中的不确定性作为系统扰动,利用扩张状态观测器动态估计系统扰动,并进行前馈补偿,近似消除了系统模型的不确定性和耦合部分,实现了系统中转速环与电流环之间的解耦,使系统模型简化为两个单输入单输出模型.在此模型基础上,采用增益修正H∝鲁棒控制设计方法设计解耦系统的控制器.仿真结果表明,该控制系统具有良好的动态性能,对负载扰动能够动态估计和补偿,具有良好的鲁棒性,可以实现高性能控制.该方法设计的控制器简单实用,可以推广到实际电机控制工程应用中.

基于扩张状态观测器的电力系统混沌滑模控制

针对电力系统遭受较大周期性扰动时出现的混沌现象,提出了一种基于扩张状态观测器的滑模控制方法。设计扩张状态观测器观测系统的状态变量,通过定义扩张状态变量将外部扰动近似为1个已知量,简化滑模控制器的设计过程,实现系统的快速收敛。并采用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明:该控制方法能够有效地控制电力系统混沌振荡,并缩短受控系统的收敛时间。

一类不确定对象的变带宽状态观测器

研究了文献[1]提出的一类不确定对象扩张状态观测器的噪声抑制能力,并在此基础上提出一种利用改变带宽来改善观测器噪声抑制能力的方法,即让观测器的带宽成为信噪比的函数。仿真结果表明,改进后的状态观测器具有较好的噪声抑制能力和动态特性。

基于变增益观测器的高超声速飞行器输出反馈控制

针对吸气式高超声速飞行器飞行控制问题,提出一种基于变增益观测器的双回路非线性输出反馈控制方案。首先,为解决部分状态信号不可直接测量的问题,设计了一种可变增益状态观测器。通过状态变换将飞行器模型变换为双回路形式,并设计自适应的观测器增益系数在保证其稳定性的同时提高鲁棒性。在此基础上,将高超声速飞行器本体模型与所设计的观测器一起构成新的严反馈系统,结合反步法与动态面设计控制器。另外,引入扩张状态观测器补偿系统观测误差及耦合项。利用Lyapunov理论证明了闭环系统的一致有界稳定。最后,在不同情况下的数值仿真校验了所提控制方案在存在较大参数不确定情况下可获得理想的指令跟踪效果。

欠驱动桥式吊车系统的非线性扩张状态观测器设计

桥式吊车系统受到外部干扰会影响系统的整体性能,且小车速度、负载摆角角速度、绳长变化速度在工程实际中难以测量。为了获取这些变量的估计信息,以便进行闭环控制,针对变绳长桥式吊车系统设计了一种非线性扩张状态观测器。该观测器将桥式吊车系统的参数摄动和外部干扰等扰动因素扩张成新状态,利用小车位置、负载摆角和绳长信息进行状态重构,在线实时估计小车速度、负载摆角角速度、绳长变化速度以及扰动等状态信息,并对给出的非线性扩张状态观测器进行了稳定性证明。Matlab仿真结果表明,各状态变量均能在0.3 s左右得到收敛。与线性扩张状态观测器相比,非线性扩张状态观测器能够获得更小峰值的观测结果。