基于有限时间扩张状态观测器的水下机器人精准跟踪控制系统设计

水下机器人在运动过程中极易受到水环境因素的干扰发生运动偏移,为了保证水下机器人的精准、稳定航行,利用有限时间扩张状态观测器优化设计水下机器人精准跟踪控制系统;设计有限时间扩张状态观测器、水下机器人传感器、跟踪控制器和推进器,强化硬件系统的密封防水设计强度,完成系统硬件设计;根据水下航行任务,规划机器人的航行轨迹,作为系统控制目标;求解机器人位置、姿态角、速度等运动参数,得出水下机器人的跟踪结果;利用有限时间扩张状态观测器检测航行环境参数,结合当前机器人状态的跟踪结果,计算机器人运动控制量,在硬件系统的支持下,完成系统的精准跟踪控制功能;通过系统测试实验得出结论,静力水环境场景下水下机器人的平均位置跟踪误差为14 m、平均角度控制误差为0.10°,航行速度控制误差为0.5 m/s;动力水环境场景下水下机器人的位置跟踪误差最大值为9 m、平均角度控制误差为0.10°、航行速度控制误差为0.5 m/s。

非线性系统的有限时间扩张状态观测器的设计

针对非线性系统的不确定项和外部干扰问题,提出了一种有限时间扩张状态观测器的设计方案,实现了非线性系统不确定项和外部干扰的有限时间估计。与传统的线性扩张状态观测器相比,有限时间扩张状态观测器基于终端滑模的思想而设计,其非线性项的引入保障了扩张状态的有限时间估计,进而辅助设计控制器,可以提高系统的鲁棒性能。利用Lyapunov有限时间稳定性理论得到该观测误差系统收敛的充分条件。最后,实例仿真进一步验证了该策略的有效性。

基于有限时间扩张状态观测的HEV鲁棒复合协调控制

针对采用双行星排动力耦合机构的混合动力汽车(HEV),研究其纯电动模式至混合动力驱动模式切换过程,为减小由发动机转矩波动和行驶工况扰动导致的模式切换动态性能恶化,提出了基于有限时间扩张状态观测的鲁棒复合协调控制策略。分析模式切换过程并建立各切换阶段的系统动力学模型,针对造成模式切换冲击的切换阶段,设计基于有限时间稳定理论的扩张状态观测器估计发动机转矩和负载转矩扰动,在此基础上,构建基于观测状态的前馈补偿策略,并设计基于状态反馈的鲁棒H∞控制器,从而实现模式切换过程的鲁棒复合协调控制。仿真结果表明:有限时间扩张状态观测器有效提高了对发动机和负载转矩扰动的观测精度,优化了发动机转速的控制效果,基于有限时间扩张状态观测的鲁棒复合协调控制策略可有效克服车辆外界扰动的影响,显著减小HEV模式切换过程的冲击度。

基于有限时间输出反馈的线性扩张状态观测器

为快速、准确地观测系统中的未知扰动及状态,提出一种有限时间线性扩张状态观测器(Finite-time linear extended state observer,FT-LESO),它具有期望的收敛性能且结构简单、易于设计.假设系统的状态无法量测,观测器设计问题转化为扰动下的输出反馈控制问题.针对该问题,提出一种扰动下的有限时间线性输出反馈控制方法,得到控制器参数与闭环系统状态向量2-范数间的解析关系.在此基础上,提出有限时间线性扩张状态观测器,得到观测器参数与观测误差收敛速度及稳态观测误差间的解析关系,给出一充分条件保证观测误差有限时间有界、且能以不低于指数收敛的速度收敛到给定范围内,为观测器参数设计提供理论依据.通过数值仿真验证提出的观测器,仿真结果与理论分析相符,提出的观测器是有效的.

基于扩张状态观测器和有限时间控制的感应电机直接转矩控制

对感应电机直接转矩控制系统中存在的干扰,本文结合扩张状态观测器(ESO)和有限时间控制(FTC)提出一种复合控制方法来提高系统的抗干扰能力.首先采用扩张状态观测器估算系统的扰动,用此观测值作为前馈量补偿到输入端;然后运用连续有限时间控制方法设计系统前向通道中的反馈控制器.文中对控制器的稳定性进行了证明.与传统的PI控制以及P+ESO控制方法进行仿真与实验结果比较,验证了方法的有效性.

新型有限时间收敛滑模扩张状态观测器研究

针对一类具有量测噪声的非线性不确定系统,设计了基于新型滑模扩张状态观测器的Term inal滑模控制方案.首先对系统进行两次状态扩张,然后设计一种新型滑模扩张状态观测器,通过采用特殊的滑模面保证观测误差在有限时间内收敛到零.在此基础上,设计Terminal滑模控制器,使系统状态也能在有限时间内收敛到零.严格的理论证明和仿真结果均证明了所设计新型滑模观测器及闭环控制方案的有效性和快速性.

基于有限时间状态观测器的永磁同步直线电机递归终端滑模控制

针对载荷变化、非线性摩擦、推力波动和外部扰动等不确定性降低永磁同步直线电机位置跟踪性能的问题,提出一种基于有限时间状态观测器的递归终端滑模控制方法。首先,建立考虑有界集总不确定性的直线电机动力学模型。其次,设计快速终端滑模函数和积分滑模函数的递归结构,强制系统直接从滑模面启动,减少了跟踪误差的收敛时间。然后,引入有限时间状态观测器实时估计集总不确定性并前馈补偿到控制率中,提高系统的鲁棒性和减少抖振。接着,利用李雅普诺夫理论分析闭环控制器的稳定性和有限时间收敛性。最后,搭建基于半实物AD5435的实验平台,实验结果验证了所提方法的可行性和优越性。

基于扩张状态观测器的有限时间收敛制导律

针对导弹稳定控制系统动态响应特性,设计了一种有限时间收敛制导律。视稳定控制系统为一阶惯性环节,建立了平面弹目相对运动模型。将模型存在的误差和目标机动等效为干扰项,利用扩张状态观测器对干扰进行估计和补偿。将加速度积分控制设计与反步控制相结合,提高制导控制系统对机动目标的鲁棒性。制导律能够使弹目视线角速度有限时间收敛到零附近,通过仿真验证了所设计制导律的优越性。

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。

基于扩展状态观测器的随机隐Markov正跳变系统有限时间异步控制

针对一类含不匹配扰动的随机隐Markov跳变系统,本文研究了基于扩展状态观测器(ESO)的有限时间异步控制问题.首先,引入一组扩展变量将隐Markov跳变系统转换成一组新的随机扩展系统,补偿不匹配扰动对系统控制输出的影响.基于Lyapunov–Krasovskii泛函方法,给出使得基于ESO的闭环随机隐Markov增广跳变系统是正系统,且有限时间有界的充分条件.进而得到直接求解观测器增益和控制器增益的线性矩阵不等式.最后,通过仿真结果验证了本文所设计的异步状态反馈控制器和观测器的有效性和可行性.

基于有限时间和状态观测器的双闭环AUV轨迹跟踪控制研究

为解决欠驱动AUV轨迹跟踪中系统收敛速度慢、易发散、模型不确定等问题,提出了一种有限时间和降阶状态观测器双环闭合的运动控制策略。根据时间尺度原理分为位置控制环和姿态控制环,位置控制环使用有限时间控制方法来加快位置量的收敛速度;姿态控制环采用基于降阶扩张状态观测器的动态积分滑模来实现对姿态角的快速收敛和补偿混合不确定项。在三维仿真环境下模拟AUV轨迹跟踪的控制效果,通过仿真结果可看出:所设计的控制器在收敛速度、控制精度、鲁棒性及跟踪效果方面均高于常见的轨迹跟踪器,能较好地满足欠驱动AUV的轨迹跟踪控制需要。

基于固定时间扩张状态观测器的底栖式AUV点镇定控制

[目的]针对受未知干扰和不确定性因素影响的底栖式自主水下航行器(AUV)点镇定控制问题,设计一种基于固定时间扩张状态观测器(FTESO)的固定时间反步控制器。[方法]首先,根据AUV点镇定跟踪误差模型提出一种固定时间扩张状态观测器,用于估计未知的集中扰动以及不可测量的速度,并使观测误差在固定时间内收敛至0;然后,在上述观测器的基础上使用反步法设计一种固定时间点镇定控制器;最后,通过加入一阶滤波器,解决反步控制器固有的“复杂性爆炸”问题,并通过李雅普诺夫稳定性分析证明闭环控制系统的半全局固定时间一致最终有界性。[结果]经仿真分析,验证了所提方案的可行性和优越性。[结论]研究表明所提方案可以解决受未知干扰与不确定性因素影响下的底栖式AUV的点镇定控制问题,并能提高控制系统的收敛时间。

固定时间扩张状态观测器下的四旋翼飞行器滑模控制策略

针对滑模控制中系统状态接近滑模面后存在的抖颤现象,提出一种基于固定时间扩张状态观测器(FTESO)的二阶滑模控制策略.首先,设计全驱动子系统及欠驱动子系统的控制结构中的二阶滑模控制器;然后,通过FTESO对内部的参数不确定及外部扰动进行观测,在一定时间上限内收敛到观测值,利用观测值对控制器进行补偿,从而减少甚至消除抖颤现象;最后,通过李亚普诺夫函数保证设计的四旋翼飞行器系统的闭环稳定性,并进行仿真实验.结果表明:文中提出的控制策略具有优越性.

基于标幺化两相吸引律的永磁同步电机有限时间速度控制

针对带有负载力矩以及其他干扰的永磁同步电机(PMSM)调速系统,提出一种基于标幺化两相吸引律的PMSM有限时间速度控制方法。首先将被控转速误差标幺化以构造具有理想误差动态特性的两相吸引律;其次基于该两相吸引律设计速度控制器,同时设计有限时间扩张状态观测器估计系统中存在的未建模动态与外部干扰,实现了转速跟踪误差有限时间收敛;然后构造Lyapunov函数分析所提控制方法的稳定性;最后实验验证了所提方法的可行性。实验结果表明,所提方法能够实现快速、无超调的速度跟踪,具有良好的动、静态性能与抗干扰能力。

基于扩张状态观测器的导弹滑模制导律

针对导弹拦截机动目标的问题,基于扩张状态观测器(ESO,Extended State Observer)设计了一种全新的导弹滑模制导律.考虑拦截时的弹目相对运动关系,通过ESO对目标加速度进行实时的观测和动态补偿,有效地解决了导弹拦截末端所需过载过大的问题,使导弹能够以更小的脱靶量拦截目标.同时在仿真中考虑自动驾驶仪的二阶动态特性,分别以不同的初始航迹角对周期性机动目标和非周期性机动目标进行拦截打击仿真,并与基于有限时间收敛理论提出的滑模制导律对迎击拦截、追击拦截和前向拦截3种方式进行仿真对比,仿真结果表明了基于ESO的滑模制导律在拦截末制导过程中的鲁棒性和优越性.

动力定位辅助锚泊定位船有限时间观测器设计

针对船舶动力定位辅助锚泊定位(DPM)系统中速度不可测和外部扰动不确定的问题,基于传统的状态观测器的设计了一种有限时间状态观测器(FTSO),所提观测器可以同时对船舶速度和外部扰动进行估计.在船舶的建模过程中考虑了系统中的未建模动态项,并根据建立的数学模型给出了所提观测器的数学表达式.利用矩阵不等式、齐次理论和Lyapunov稳定性理论等证明了该有限时间观测器是半全局有限时间稳定的.对所提观测器进行了仿真验证,并与传统的状态观测器进行了对比实验,仿真结果表明所提观测器具有更快的收敛速度和更好的抗干扰性.

切换系统激活模式辨识和有限时间状态估计

针对一类具有未知输入的不确定线性切换系统,考虑并利用有限时间观测器解决其激活模式辨识和有限时间状态估计问题。首先,利用状态和输出变换得到解耦未知输入的降维切换系统。其次,为每一个降维子系统设计一个对应的有限时间观测器,并对降维系统与观测器系统输出的残差范数进行最小化,从而提出一种激活模式辨识的方法。然后,通过有限时间观测器设置任意小的时间参数,实现了对降维解耦切换系统的有限时间状态估计,同时利用状态等价变化的方法得到原系统的有限时间状态估计。最后,通过MATLAB仿真验证了所提方法的可靠性。

基于有限时间扰动观测器的四旋翼编队控制

针对复杂飞行环境下的多四旋翼飞行器系统,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的主从编队控制策略(FTESO-LFFC)。对于领航者子系统,提出一种积分滑模控制(ISM)策略,通过引入的积分项,消除了传统滑模控制中的趋近阶段,提高了系统的鲁棒性。对于跟随者子系统,提出一种非奇异终端滑模控制(NTSM)策略,该方法在解决了奇异性问题的同时也具有有限时间收敛特性,其控制效果更佳。针对外界扰动,提出一种有限时间扩张状态观测器(FTESO)实现了对扰动的准确观测。通过稳定性分析可知,所提出的控制策略可以实现闭环系统的有限时间稳定。仿真结果验证了该方法的可靠性与优越性。

基于观测器的广义系统有限时间控制器设计

基于广义观测器,探讨了线性广义系统的有限时间控制问题.利用广义系统状态观测器理论,给出了系统无脉冲模和有限时间状态稳定的充分条件及基于广义观测器的状态反馈控制器的设计方法,所设计的控制器使闭环系统无脉冲模且保持有限时间状态稳定.通过解一组广义Riccati不等式得到观测器增益矩阵和状态反馈矩阵.

基于扩张状态观测器的永磁同步电机转速环连续螺旋控制

针对传统矢量控制策略在保持系统动态性能的基础上无法消除系统扰动的问题,为进一步提高系统的控制精度及抗扰能力,提出了一种基于扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)的连续螺旋滑模控制(Continuous Twisting Sliding Mode Control, CTSMC)方法。首先,该方法以双闭环矢量控制结构为基础,在转速环部分采用连续螺旋控制方法,与传统控制方法相比,可以将误差收敛到一定的区域,不仅提高了负载扰动的鲁棒性,还有效减少了系统的抖振。其次,在此控制器的基础上加入扩张状态观测器,估计系统的总扰动,并将此信号用于前馈补偿,以进一步提高系统的动态性能。最后,利用Lyapunov稳定性理论进行了闭环稳定性分析。通过仿真和实验,验证了基于扩张状态观测器的连续螺旋滑模控制方法的正确性及可行性。