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.

BTT导弹基于扩张状态观测器的滑模控制律设计

针对BTT导弹非线性动力学模型中的参数不确定性及系统存在未知外部干扰的问题,提出了一种基于扩张状态观测器的滑模控制设计方法;将系统参数不确定性和未知外界干扰作为系统的复合干扰,采用扩张状态观测器估计系统的复合干扰,并实时补偿;利用Lyapunov方法证明系统的稳定性;该控制器算法简单、计算量小,更易于实际工程应用;仿真结果表明,设计的控制器对导弹控制系统受到的复合干扰具有较强的鲁棒性和稳定性,满足导弹姿态快速机动和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于滑模控制器。

基于高增益观测器的挖掘机工作装置滑模控制

为了提升挖掘机自动化水平,减少传感器使用数量,节约控制成本,本文设计了基于高增益观测器的滑模控制器,控制挖掘机铲斗轨迹。建立了挖掘机关节空间与驱动空间位移、速度与力之间的关系,对挖掘工况中常见的以定切削角直线整平作业进行了轨迹规划,并得到相应驱动空间中液压缸杆位移规划曲线。以伺服阀输入电压为控制输入,建立了挖掘机驱动空间,即伺服液压系统数学模型。其次在匹配不确定性与非匹配不确定性存在条件下,采用基于高增益观测器的滑模控制使液压缸杆位移跟踪规划值,并基于奇异摄动理论证明了闭环控制系统的稳定性。相较于以挖掘机关节转矩为控制输入,本文采用伺服阀电压作为控制输入更为直接且易于实践。采用高增益观测器对状态观测,可减少传感器的使用数量,节约整机控制成本。控制器的设计对一类问题具有广泛意义且从理论上证明了复合控制系统稳定性。

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。

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.

一类基于高增益观测器的多输入多输出非线性时滞系统的自适应模糊动态面控制

针对一类多输入多输出且状态不可测非线性时滞系统,提出了一种自适应模糊backstepping输出反馈控制方案。因为模糊逻辑系统的逼近性,利用其对未知函数进行逼近,设计高增益非线性模糊观测器估计不可测状态。并结合自适应backstepping技术和动态面控制技术,提出了自适应模糊backstepping输出反馈控制策略。证明了系统中所有信号都一致有界,此外,选择适当的参数能够保证跟踪误差和观测误差收敛到很小的一个领域内。通过仿真验证了所提控制策略的有效性。

基于扩张观测器的非线性不确定系统输出跟踪

针对一类非线性不确定系统,设计出一种高增益扩张观测器,该观测器具有抗干扰性,可用于观测信号的n阶导数.在此基础上设计了一种控制器,使得跟踪误差及其各阶导数在不确定及扰动存在的情况下仍能迅速收敛.仿真结果表明,这种控制方法对于非线性不确定系统具有良好的控制效果.

基于非线性状态观测器的永磁同步电动机无位置传感器矢量控制

应用微分流形理论分析了面贴式永磁同步电动机在不同工作状态下的状态不可区分性,研究了其旋转坐标系模型的局部弱能观及全局能观性。在此基础上,设计了降阶全局能观测子系统的高增益非线性电流-速度观测器,并将其应用到转子速度的实时估计中。基于大范围调速及暂态过程中估计值偏差大的情况,利用观测到的交轴电流微分值设计了观测器自适应增益率,分析了其对观测器状态收敛的适应性。利用直轴观测到的电流与实际测量值的微分差值设计了转子的位置估计器。分析了该方法对定子电阻及外部转矩扰动的参数变化鲁棒性。为了验证所提方法的正确性,分别进行了数值仿真及实验验证。

电液位置伺服系统高增益自抗扰控制

针对电液位置伺服系统采用自抗扰控制策略时,存在因系统阶数过高导致状态观测器需观测的变量多、观测信息相位滞后以及易引起系统响应滞后及超调等问题,采用高增益自抗扰控制方案。对系统模型进行降阶处理,以简化控制器结构,减少待整定参数;在传统扩张状态观测器的基础上,进一步对系统总扰动的微分信号进行观测,观测系统扰动的变化趋势,产生有效的超前补偿信号,从而提高系统控制性能及抗扰能力。最后,通过MATLAB与AMESim进行联合仿真。结果表明:该控制方案相比于传统自抗扰控制,系统超调量降低85%,响应速度提高47.7%,并有效提高了系统抗干扰能力,具有更优良的动态及稳态性能。

一种非线性观测器和能量结合的反馈控制系统

文中利用高增益观测器和状态反馈控制器设计的分离性原理,提出了一种结合非线性观测器和能量的基于估计状态的反馈控制系统.针对垂直欠驱动具有旋转激励的平移振荡器非线性系统,首先,利用高增益观测器,选取合适的增益,使得观测值迅速收敛到系统的状态,其次,从系统能量的角度出发,选取一个恰当的李雅普诺夫函数,证明了所得到的反馈控制系统的渐进稳定性,系统分析及仿真结果表明该方法在动态性方面优于采用高增益观测器和滑模相结合的控制方法,便于工程实现.

一类非线性系统的自适应观测器设计

在故障诊断应用中,状态方程中的未知参数和输出方程中的未知参数分别表征执行机构故障和传感器故障,所以研究状态方程和输出方程同时含有未知参数的自适应观测器有着实际的应用意义.本文基于高增益观测器和自适应估计理论,针对状态方程和输出方程同时含有未知参数的一类一致可观的非线性系统,用构造性方法设计了一种联合估计状态和未知参数的自适应观测器.该自适应观测器的参数估计采用时变增益矩阵,结构形式及参数设置简单.给出了使该自适应观测器满足全局指数收敛性的持续激励条件,并在理论上简洁地证明了该自适应观测器的全局指数收敛性.数值仿真结果表明该自适应观测器具有良好的快速收敛性、跟踪性等期望性能.

基于ESO的磁悬浮直线同步电机变增益自适应迭代学习控制

对于可控励磁磁悬浮直线同步电机(CEMLLSM),常规迭代学习控制(ILC)精度低、抖振大,且抗外部扰动能力差。为提高跟踪精度,设计了一种基于扩张状态观测器(ESO)的变增益自适应ILC算法。首先,研究CEMLLSM的工作原理及数学模型。其次,设计基于ESO的变增益自适应迭代学习控制器,为控制器中固定增益部分引入指数可变增益,增加自适应迭代项对控制律中的未知参数进行迭代学习,从而减小系统抖振与误差并加快系统收敛速度。通过引入ESO观测系统的外部干扰,对控制量进行补偿,进而提高系统的抗扰动能力。最后,用MATLAB对控制系统进行仿真分析,仿真结果表明该算法能够有效减小跟踪误差,并对扰动有良好的抑制作用。

二维直线电机的无模型高阶滑模解耦控制

针对二维直线电机运动系统存在的非线性、多变量、不确定性以及强耦合作用对控制精度的影响,提出一种无模型高阶滑模解耦控制方法。以紧格式动态线性化无模型控制技术为基础,设计一种数据驱动滑模面并验证滑模面的渐进稳定性;利用高阶滑模控制思想设计高阶滑模控制律,对二维直线电机XY轴进行整体控制,减小位置跟踪误差,并进行稳定性和收敛性证明。采用自适应解耦控制策略,设计离散扩张状态观测器对系统两轴间耦合、未建模动态和未知外部干扰进行估计和补偿,进一步实现系统的解耦。仿真和实物实验结果表明,所提方案能够有效提高二维直线电机的位置控制精度。

恒功率负载条件下Boost变换器复合控制技术

直流微电网中大量接入变换器驱动负载,因其输入阻抗往往表现出负阻抗特性,易与供电单元产生交互作用,极大地衰减了系统阻尼,激发了系统振荡。为此,针对直流微电网源侧Boost变换器,此处提出一种无源控制(PBC)和扩张高增益状态观测器(EHGSO)相结合的复合控制方法,首先建立了考虑多因素影响的Boost变换器模型,然后结合无源理论及观测器理论设计了复合控制器,确保了系统在不同负载工况下的全局稳定性,并在实验室内建立了含两台120W原理样机及一台恒功率负载的实验微电网系统,通过实验验证了所提方法的有效性和正确性。

燃料电池-锂电池混合供电系统的无源控制策略及参数设计方法

多源混合供电技术可有效地利用不同供电单元性能,在电气化交通系统中得到广泛应用。然而,随着越来越多的恒功率特性及强脉动特性负载接入供电系统,系统的稳定性难以得到保证。针对传统线性控制方法难以保证系统的大信号稳定性,而现有非线性控制的研究仍缺乏兼顾稳定性和动态性能的控制参数设计方法的问题,该文对燃料电池-锂电池混合供电系统设计基于无源控制和扩张高增益状态观测器的复合控制方法,并对控制器和观测器参数进行了设计,有效地保证了系统的动静态性能。在实验室搭建一套额定功率为3 kW的燃料电池-锂电池混合供电系统实验平台进行测试,结果验证了所提控制策略和参数设计方法的有效性和正确性。

一类时变系统的变增益自抗扰控制方法

文章针对一类具有时变性质的受扰线性系统,设计一种可实现干扰抑制的变增益自抗扰控制方法。通过设计时变增益的扩张状态观测器,完成对系统的状态观测和扰动估计。基于状态反馈的控制律完成对总扰动的补偿。最后,通过在MATLAB/Simulink中的数值仿真进行了变增益自抗扰控制与线性自抗扰控制的对比实验,仿真结果验证了该文所提方法的有效性。