基于线性扩张状态观测器的挖掘机电液系统滑模控制

无人驾驶挖掘机器人实际工作环境恶劣,为提高铲斗在负载扰动下的轨迹跟踪精度,建立了挖掘机电液系统非线性数学模型,设计了基于线性扩张状态观测器的滑模控制器(Sliding mode controller based on linear extended state observer,SMC-LESO)。根据铲斗油缸活塞杆位移信号,利用设计的线性扩张状态观测器对系统的速度、加速度及负载扰动和不确定因素进行估计,解决了系统参数难以测量的问题。在此基础上,设计了滑模控制器,并证明了该控制器的Lyapunov稳定性。为进一步验证该控制器的有效性,建立了挖掘机电液比例控制系统的联合仿真模型,并与PID控制器、滑模控制器的轨迹跟踪精度进行对比。仿真结果表明,该控制器可以有效抑制扰动,位移跟踪精度高、鲁棒性强。

基于级联型扩张状态观测器的直流微电网低压负载接口变换器自抗扰稳压研究

直流微电网负载侧供压稳定是实现新能源电力高水平消纳的重要前提。为维持低压负载侧电压稳定,利用级联型扩张状态观测器提高扰动的估计重构精度与速度,将二阶自抗扰控制技术引入低压侧稳压控制。首先,在考虑扰动存在的低压接口变换器动态模型基础上实现对于稳压控制策略的系统设计。之后,在时域上分析级联型扩张状态观测器对于扰动重估精度的提升效果,利用线性等效框架在复频域上分析系统对于总扰动的抑制性能,以及系统模型不确定下对于动态性能的影响。此外,将Lyapunov理论运用于分析所提稳压控制策略的稳定性,表明该系统在工程上稳定。最后仿真实验验证了所提出稳压策略的正确性与有效性,且对于扰动具有较好的抑制性。

基于扩张状态观测器的伺服加载模糊滑模控制

针对电动伺服加载测试台存在的间隙、摩擦等非线性控制问题,以滑模变结构控制(SMC)为主体进行了加载控制器设计。分析伺服加载测试台整体结构,提出一种基于扩张状态扰动观测器(ESO)的模糊滑模控制(FSMC)策略。该策略在使用ESO针对伺服加载系统的外部干扰进行观测的基础上,设计了模糊控制对滑动模态面和滑模趋近律进行自适应调节,提高了系统的动态实时跟随能力和干扰补偿能力,并减小SMC控制器稳定时的抖振现象。仿真结果表明:所设计的基于扩张状态观测器的模糊滑模控制器(FSMC-ESO)对比传统SMC及PID控制具有更好的快速响应性和鲁棒性。

一种改进线性扩张状态观测器的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法研究

针对自抗扰控制策略在并网系统参数变化时能否维持逆变器接入弱电网的稳定性展开了进一步研究。首先,建立了计及频率耦合的自抗扰控制型并网逆变器等效单输入单输出序阻抗模型,并采用Nyquist稳定判据定量分析逆变器输出功率、电网短路比、锁相环以及自抗扰控制器参数变化对并网系统稳定性的影响。其次,针对上述参数变化所导致的弱电网下自抗扰控制型逆变器稳定性降低、宽频带振荡等问题,提出了一种改进线性扩张状态观测器(enhanced linear expansion state observer,e-LESO)的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法。通过在传统一阶自抗扰控制器中LESO内部增添比例支路和滤波环节,重塑自抗扰控制型并网逆变器输出阻抗,拓宽其中频段(100 Hz~1 kHz)内呈正阻尼特性的频率范围,从而增强自抗扰型并网逆变器鲁棒性,实现宽频带振荡抑制。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性。

基于扩张状态观测器和反步法的非线性超空泡航行体纵向控制

考虑空泡记忆效应的超空泡航行体控制难度较大,主要体现在滑行力的强非线性、模型中的时延特性以及运动中的未知扰动.对于此类多输入多输出的复杂非线性系统,利用传统反步法控制器设计思想,将其改进以适用于超空泡航行体的纵向运动控制.为了对系统模型中存在的未知扰动进行观测补偿,本文设计了线性扩张状态观测器(LESO),将扰动估计值与控制器设计相结合,使用Lyapunov方法分析系统稳定性.最后在不同条件下进行仿真,结果验证了所设计的LESO估计未知扰动的准确性,以及所提控制方法对超空泡航行体纵向控制的有效性.

基于降阶线性扩张状态观测器的风电并网逆变器线性自抗扰控制

针对风电并网逆变器直流母线电压易受电网电压波动和负载扰动影响的问题,提出了一种电压外环改进型线性自抗扰控制(LADRC)。建立了风电并网逆变器在d-q旋转坐标系下的数学模型,在此基础上,设计了基于降阶线性扩张状态观测器的线性自抗扰控制,减小了观测器的相位滞后,提高了系统的扰动观测精度;在观测器总扰动通道上增加了一个超前滞后的校正环节以减弱观测器的噪声放大效应;文章对改进型LADRC控制策略进行了频域特性分析。仿真结果表明,相比于传统LADRC控制策略,所提的控制策略对并网逆变器直流母线电压具有更好的控制效果。

基于非线性扩张状态观测器的交错并联Buck变换器无模型预测控制

针对交错并联Buck变换器在复杂环境下受到内外部扰动导致控制性能下降问题,提出一种基于非线性扩张状态观测器的无模型预测控制策略(NESO-MFPC)。建立超局部模型来替换原有先验物理模型,降低控制系统模型精度依赖。设计非线性扩张状态观测器估计超局部模型中未知干扰部分,并补偿到基于超局部模型的预测模型中去,提高抗干扰能力。设计无差拍预测控制策略,保证系统的快速动态响应。仿真结果表明,相比于传统控制方法,该控制策略具有更优的动稳态性能和鲁棒性。

基于扩张状态观测器的有限时间船舶编队控制

[目的]为了解决大多数船舶编队控制算法控制周期长和时效性差的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的有限时间控制策略。[方法]采用一种非线性终端滑模算法,通过对控制律分区域设计,克服传统终端滑模存在的奇异性问题;将非线性终端滑模与图论结合,实现有限时间的船舶编队控制;利用扩张状态观测器观测并补偿船舶模型中的不确定性及外界的干扰,以保证船舶编队控制的精确性;运用Lyapunov理论验证船舶编队控制律的稳定性。[结果]仿真结果表明,采用所提控制策略使整个编队系统误差在5 s左右趋近于0,从而实现了稳定。[结论]该控制策略能有效控制船舶编队,且控制速度快、时效性好。

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.

基于线性扩张状态观测器的永磁同步电机状态估计与性能分析

针对永磁同步电机(PMSM)矢量控制中的扰动抑制问题,采用多变量的线性扩张状态观测器(LESO),在估计系统状态、负载扰动及不确定性的同时,基于频域法,在参数选取的全范围区间内,系统分析LESO参数选取对估计的收敛性、快速性以及对干扰和测量噪声的鲁棒性影响,给出针对PMSM的LESO参数整定步骤。与已有方法相比,拓宽了LESO参数选取的范围,提高了LESO对PMSM状态的观测效果,进而为改善其控制品质奠定了良好的基础,结果具有理论价值和工程实践指导意义。仿真和实验结果验证了结论的有效性。

基于扩张状态观测器的电力系统非线性鲁棒协调控制

该文提出了一种基于扩张状态观测器的非线性鲁棒协调控制方法(Extended-State-Observer based Nonlinear RobusCoordinated Control, ENRCC):将电力系统对象归纳为一类内环为非线性系统、外环为伪线性系统的多输入多输出对象。在此基础上,完整地阐述了 ENRCC 的控制原理:利用一簇低阶扩张状态观测器对内环非线性系统进行动态反馈线性化和解耦设计,利用线性鲁棒控制方法对已线性化的内环系统和外环伪线性系统进行预期动力学设计,最终可实现观测器+线性化+鲁棒协调控制三者的有机结合。实例仿真结果表明:该控制规律严谨简单,方法原理直观清晰,便于工程应用,具有很强的适应性和鲁棒性,能有效地解决一类 不确定+非线性+分散性的电力系统多输入多输出(MIMO)对象的控制问题。

非线性扩张状态观测器的一种设计方法

提出了一种非线性扩张状态现测器的“参数动态确定法”设计方法。运用该方法可以设计出任意阶的非线性扩张状态观测器，所设计出的非线性扩张状态观测器的动态品质只与补偿矩阵的极点位置有关，与非线性函数的形式无关，选取满足条件的不同非线性函数可以得到不同形式的非线性扩张状态观测器。最后，仿真算例表明了该设计方法的有效性。

基于扩张状态观测器的压电结构复合滑模振动控制

针对压电固支板振动系统的模型不确定、高次谐波和外部激励等干扰问题,设计出一种基于线性扩张状态观测器与滑模控制的复合振动主动控制策略。首先,基于辅助变量法建立压电固支板结构的数学模型,进而设计线性扩张状态观测器对系统状态变量与总干扰进行实时估计,再通过前馈通道补偿的方式,抵消模型误差、外界激励等干扰对系统的影响;然后,基于估计值设计滑模控制器,利用较小的切换项增益抑制观测器的估计误差,从而降低滑模控制的抖振,并利用李雅普诺夫稳定判据准则分析所提振动控制系统的全局稳定性。最后,基于NI-PCIe6343采集系统,搭建振动控制实验平台,并对设计的复合振动主动控制策略进行实验。实验验证结果表明,所提振动控制策略对压电固支板的振动幅值降低87.5%,具有较强的抗干扰能力且对压电固支板的振动抑制性能良好。

基于线性扩张状态观测器的平行泊车路径跟踪

为了消除外界干扰和转向系统运动学模型的不确定性的影响,建立了平行泊车系统的车辆运动学模型,设计了一个三阶线性扩张状态观测器,该观测器可将外界干扰和模型不确定性看作系统总的扰动量进行观测和补偿,而不需要建立被控对象的精确数学模型.基于该观测器,设计了平行泊车路径跟踪控制器,并对其性能进行了仿真和实车验证.仿真结果表明,所设计的平行泊车路径跟踪控制器的控制效果优于传统PID控制器,抗外界干扰能力更强.实车试验结果表明,该路径跟踪控制器能够精确控制车辆完成平行泊车任务,最大误差仅为0.111 m.

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一类未知非线性不确定系统滑模控制

研究了基于扩张状态观测器的一类n阶未知非线性不确定系统的滑模控制问题.在系统状态已知的前提下,利用滑模控制思想将一个n阶未知非线性不确定系统方程转化为一个关于切换曲面函数的一阶非线性方程,然后利用二阶扩张状态观测器来估计转化后的一阶非线性方程的非线性函数和扰动.为了消除滑模控制项所带来的抖振,引入边界层.利用Lyapunov函数证明了系统的稳定性,完成了系统输出跟随系统输入的目的.由于系统中存在扩张状态观测器,本文的控制方法不依赖于被控对象的数学模型,具有很强的鲁棒性.仿真的结果表明了本文方法的可行性.

线性扩张状态观测器和李雅普诺夫直接法在风电场同步稳定控制的应用

基于线性扩张状态观测器和李雅普诺夫(Lyapunov)直接法设计了风电场同步稳定控制策略,驱动系统达到故障后平衡点。首先将含有风电场接入的电力系统建模为串级系统,利用串级控制理论设计风电场稳定控制策略。其中,同步机为第一级,风电场为第二级子系统。针对同步机子系统,通过等效可控变换将多机系统转化为风电场等效可控系统,利用线性扩张状态观测器和Lyapunov直接法设计了改善系统同步稳定性的虚拟控制律。针对风电场子系统,基于线性扩张状态观测器设计了风电场的稳定控制律,使风电场功率调制能够快速跟踪虚拟控制律。控制策略无需系统的详细模型信息,具有良好的鲁棒性。在改进的IEEE39节点系统中,验证了控制策略的有效性和鲁棒性。

基于扩张状态观测器的管桩自动焊接机滑模控制

针对管桩自动焊接机中齿轮传动结构带来的齿隙非线性问题,文中提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制器设计方法。将非线性、时变齿隙模型等价为全局线性化模型,并证明建模误差上限有界。基于该模型,考虑到输入齿隙未知以及外界干扰未知的情况,文中分别设计了滑模控制器和基于扩张状态观测器的改进滑模控制器。前者能够渐进稳定的跟踪输入信号,抗干扰能力强,但存在较大抖振;后者利用扩张状态观测器观测出未知扰动并直接补偿给控制器,在保证跟踪误差在期望精度范围的同时减少了抖振,便于工程实现。仿真实验证明了相较于传统滑模控制器,基于扩张状态观测器的改进滑模控制器系统到达滑模面的速度更快、抖振更少。

基于神经网络的非线性扩张状态观测器

自抗扰控制方法是一种新型的非线性设计方法,在自抗扰控制器中主要存在着确定待定参数的问题;非线性扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心,在研究非线性扩张观测器中的参数整定问题时,将神经网络的思想引入参数整定,提出了基于神经网络的非线性扩张状态观测器的设计方法,运用该方法可以对任意阶的非线性扩张状态观测器进行参数设计;大量仿真算例表明,设计出的观测器具有良好的鲁棒性,有一定工程应用参考价值。

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。