基于稳定补偿状态观测器的旋转导向钻井轨迹跟踪控制

旋转导向钻井是近年来应用于钻井作业中的一种新型导向钻井技术,具有成本低、钻速高、井眼轨迹平滑、可延长水平段等优点。针对一种旋转导向钻井系统的井眼轨迹跟踪问题,分析了系统模型的渐近稳定性;实现了一种基于状态反馈的二维井眼轨迹跟踪控制器。为了克服滞后项所导致的状态观测器稳定问题,提出了一种基于稳定补偿的状态观测器设计方法。控制系统设计的整体思路是利用基于指数趋近律的积分滑模变结构方法实现稳定补偿控制,保证了状态观测器的渐近稳定性;同时为提高系统整体性能,进一步使用遗传算法对系统控制器和观测器参数进行了优化。通过对不同的给定钻井轨迹进行对比仿真实验,验证了所提的控制系统设计方法的有效性。

基于降阶观测器的双线性系统H_∞补偿器设计

讨论了多输入多输出双线性连续时间系统的基于降阶观测器的H∞补偿器设计问题。利用线性矩阵不等式和Lyapunov方程,得到了保证闭环系统全局渐近稳定且满足给定干扰抑制水平的bang-bang控制律的设计。仿真验证了所给理论结果的有效性。

基于补偿函数观测器的无人机吊挂飞行控制

无人机吊挂飞行系统是多变量、欠驱动、强耦合的非线性系统,且该系统存在模型偏差和未知扰动,给无人机位置和吊挂飞行减摆控制带来了困难。文章设计了一种基于补偿函数观测器(CFO)的非线性控制方法。首先,基于拉格朗日方程建立系统的动力学模型。然后,设计了补偿函数观测器来估计未建模动态和扰动,并将估计值反馈给控制器以大幅减弱其给吊挂飞行减摆控制带来的不利影响。仿真实验对比了线性自抗扰控制(LADRC)以及线性二次型调节器(LQR)两种控制方法,结果表明设计的控制器抗扰性更好、鲁棒性更强、控制精度更高。

基于补偿函数观测器的三相并网逆变器无模型预测功率控制

针对三相并网逆变器受参数变化等因素引起的未知扰动导致系统控制性能下降的问题,提出一种基于补偿函数观测器的无模型预测功率控制算法。首先,以超局部模型代替原有的逆变器模型,降低对系统模型的依赖,提升系统鲁棒性;其次,设计补偿函数观测器,估计超局部模型中的集总扰动,利用含补偿函数的信号跟踪器补偿传统观测器的估计残差,提高系统对扰动的估计精度;最后,设计无差拍代价函数,实现系统的无差跟踪。实验结果验证了所提方法具有更好的动稳态性能。

基于转动惯量辨识与扰动补偿的永磁同步电机滑模控制

针对永磁同步电机负载转矩波动及负载转动惯量的变化对控制性能的影响,采用一种模型参考自适应控制方法实时辨识转动惯量,利用设计的扰动补偿观测器,结合辨识出的转动惯量估算出负载转矩值,然后将观测的负载转矩转换为观测电流值与给定电流值的误差,从而对控制系统进行前馈补偿,以减小转矩电流脉动,提高系统的抗扰能力和响应速度。通过模型在环实物仿真平台验证,所采用的控制策略对系统的抗扰性能和响应速度都有很好的改善效果,增强了系统的鲁棒性。

基于补偿函数观测器的四旋翼无人机姿态受限控制

由于四旋翼无人机的飞行环境及自身执行机构等原因限制,为了保证姿态始终在约束范围内变化,引入障碍Lyapunov函数(BLF)保证系统能够达到预设性能。提出了一种基于补偿函数观测器(CFO)的反步姿态受限控制(CFO-BLF)方案。通过Simulink仿真对比了CFO-BLF反步控制、ESO-BLF反步控制和PID控制下四旋翼无人机的姿态跟踪性能,验证了本文CFO-BLF控制方法的有效性及优越性。

补偿函数观测器及其在飞行器姿态控制中的应用

风扰、气流扰动和模型未知部分的估计精度直接影响着无人机(UAV)的稳定性和控制品质,扩张观测器(ESO)能估计这些部分,但存在型别低,收敛性差,估计精度低等问题。补偿函数观测器(CFO)采用纯积分、补偿和传递函数型别的思想,改变了ESO结构,使得CFO较ESO高2个型别,精度高,收敛性强。然而,CFO是利用线性滤波器补偿系统的未知函数或扰动,对快速变化的高次非线性函数补偿能力不足。本文用径向基(RBF)神经网络替代了线性滤波器或积分器,提出了带有RBF神经网络的CFO,进一步提高了估计精度。应用带有RBF神经网络的CFO得到的非线性未知函数和扰动以及微分信息,设计了主动模型函数补偿控制算法,应用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。将该模型补偿控制算法成功地应用于四旋翼飞行器姿态系统的控制。仿真对比了所提出的基于CFO的模型补偿控制,PID控制和自抗扰控制算法,同时在基于Pixhawk的控制测试平台实验中,对比了这3种控制策略,测试四旋翼飞行器对不同参考姿态的跟踪性能。结果表明,所提出的控制方法,在暂态性能和稳态跟踪精度方面,优于其它控制器。

模型补偿反步控制及其在四旋翼编队中的应用

针对多无人机受模型偏差和外部扰动导致的编队构型不稳定问题,提出一种模型补偿控制的思想,在此基础上设计基于补偿函数观测器(CFO)的模型补偿反步控制器并应用于编队协同控制,把编队协同控制问题转化为传统控制问题,实现多无人机在复杂外部扰动下的编队集合、飞行和队形切换。所提出的控制器不仅保留了基于Lyapunov准则的全局指数渐近稳定性,还采用CFO来准确估计模型偏差和干扰并补偿到控制器中,有效增强了编队系统整体的抗扰能力。最后通过仿真和实验验证了算法的有效性。

全超导托卡马克核聚变发电装置快控电源的干扰抑制离散积分滑模电流控制

全超导托卡马克核聚变发电装置(EAST)快控电源的首要性能指标是快速跟踪参考信号,以输出电流实现负载线圈的励磁,对等离子体的垂直位移进行反馈控制。EAST快控电源负载线圈受装置内部部件和真空内等离子体的影响,线圈感值会出现小范围内慢时变波动以及线圈上存在互感电动势干扰,传统比例-积分(PI)控制方法在电流跟踪控制过程中存在不足。为了实现干扰的抑制和应对负载波动,提出一种带干扰抑制的离散积分滑模控制方法,根据系统状态方程设计离散积分滑模控制器,结合滑模干扰观测器实现集总干扰的观测,对集总干扰进行前馈补偿控制。为了抑制抖振和加快收敛速度,设计一种新型平滑饱和函数和增益自适应观测器,根据观测电流误差和跟踪电流误差自适应调整观测器增益。对比传统PI控制,仿真和实验验证了所提控制方法具有更加优良的电流跟踪特性,在输出电流超调更小的情况下动态响应更快,能够有效地抑制负载侧扰动,具有良好的鲁棒性。

基于观测器的四旋翼控制-抗扰-避障一体化

针对四旋翼飞行器“规划-跟踪”避障方法中存在执行器跟踪误差的问题,采用控制-抗扰-避障一体化的设计方案,提出了一种带障碍约束的避障位置控制器。将Barrier李亚普诺夫函数用于约束障碍物边界,通过引入飞行器与目标位置的距离信息使目标点成为平衡点,从而解决传统势场方法中目标不可到达的问题。对于四旋翼控制系统状态强耦合、模型建立不精确的问题,提出了一种基于观测器的模型补偿控制策略并应用于姿态控制。采用补偿函数观测器估计模型偏差及外界扰动,并实时将估计值反馈补偿给控制器以达到自适应抗扰的控制跟踪效果。最后,对上述算法仿真验证,结果表明,基于观测器的模型补偿控制相较于其他控制算法在暂态性能、跟踪期望响应和抗干扰方面有更优的控制效果;避障位置控制器无需考虑跟踪误差问题,在仿真时间角度上,一体化避障方法较传统的“规划-跟踪”避障方法大幅度缩短,通过给定起始、目标位置后可以实现对静态障碍的躲避。

四级行星混合减速器Adams和Matlab联合动力学仿真

由于多级行星齿轮减速器结构复杂,不易进行性能检测。根据几何关系建立三维装配模型,基于齿轮齿面接触理论和动力学分析,构建Adams虚拟样机与Matlab的联合控制仿真模型,采用基于指数收敛观测器补偿的PID控制,实现直流伺服电机-减速器系统的调节。通过对混合减速器取样构件的角速度、角加速度及接触应力等参数的时域和频域特性分析,验证该联合控制机制的高精度、强抗干扰能力等优点,为此类系统的结构性设计和动态分析提供参考。

双绳缠绕式煤矿深井提升系统钢丝绳张力主动控制方法

针对双绳缠绕式煤矿深井提升系统运行过程中钢丝绳张力不平衡问题,提出了钢丝绳张力主动控制方法。首先,分析双绳缠绕式煤矿深井提升系统钢丝绳张力与浮动天轮液压缸负载力之间的关系,考虑系统存在的非线性问题,建立了提升系统钢丝绳张力主动控制模型;其次,由于煤矿深井提升环境恶劣,因此钢丝绳张力反馈信号通过无线装置进行采集,考虑提升系统运行过程中钢丝绳张力反馈信号通过无线传输存在不确定延时问题,基于系统控制模型构建了钢丝绳张力主动控制矩阵,设计了钢丝绳张力无线反馈信号传输延时补偿观测器,证明了包含延时补偿观测器的钢丝绳张力主动控制模型的稳定性;然后,考虑钢丝绳张力主动控制模型是一种严格反馈模型,存在输出约束问题,提出了反步控制和障碍李雅普诺夫函数相结合的钢丝绳张力主动控制方法,并证明了钢丝绳张力控制下的提升系统稳定性;最后,利用双绳缠绕式煤矿深井提升试验台对提出的传输延时补偿观测器及钢丝绳张力主动控制方法开展了实验验证,实验结果表明,延时补偿观测器可有效减小由于无线传输造成的钢丝绳张力反馈信号滞后量,与传统的被动式钢丝绳张力调节装置相比,在高速和低速工况下,提出的钢丝绳张力主动控制方法均可以更有效地减小2根钢丝绳张力差,进一步保证提升系统的安全运行。

双绳缠绕式煤矿深井提升系统容器位姿调平控制方法

针对柔性罐道工况下双绳缠绕式煤矿深井提升系统运行过程中容器倾斜问题,提出了容器位姿调平控制方法。首先,分析了双绳缠绕式深井提升系统的组成及各组成部分的几何关系,考虑提升系统和浮动天轮液压系统非线性问题,建立双绳缠绕式深井提升系统容器位姿调平非线性控制模型;其次,由于煤矿深井提升环境恶劣,因此提升系统容器位姿反馈信号通过无线装置进行采集,考虑提升系统运行过程中控制量在钢丝绳中传递存在的不确定延时问题,构建了容器位姿调平主动控制矩阵模型,设计了控制信号传输延时补偿观测器,证明了包含延时补偿观测器的容器位姿调平主动控制模型的稳定性;然后,设计滑模控制器实现提升系统容器位姿调平控制,考虑到控制器设计过程中需要容器角度的微分信号,利用高增益观测器为滑模控制器提供光滑的角度微分信号,进而提高控制性能;最后,利用双绳缠绕式煤矿深井提升试验台对提出控制信号延时补偿观测器及容器位姿调平控制方法开展了实验验证,实验结果表明,反步和本文提出的控制器相对于PI控制器具有更优越的响应速度,而提出的控制算法由于添加了延时补偿观测器和高增益观测器,具有更好的控制效果,可以减小容器倾角的峰值与均值,保证双绳缠绕式煤矿深井提升系统的安全运行。

OBSERVER/FILTER STRUCTURE BASED ADAPTIVE FRICTION COMPENSATION FOR HIGH PRECISION TURNTABLE

Two adaptive friction compensation schemes are developed for a high precision turntable system with nonlinear dynamic friction to handle two types of parametric uncertainties in the friction. Both schemes utilize a nonlinear observer/filter structure to compensate for uncertainties in corresponding friction parameters associated with the turntable system. Moreover, in the second scheme, adjustable gains are introduced into the dual nonlin- ear filters and they can be tuned to improve the position tracking performance. In both cases, a Lyapunov-like argument is provided for the global asymptotic stability of the closed-loop system. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed schemes.

四旋翼无人机系统模型补偿最优控制

针对四旋翼无人机系统的时变、模型偏差、受扰等问题,本文提出了一种抗扰最优控制算法.首先给出了一种简单的非线性二次调节器(NLQR),然后引入高精度的补偿函数观测器(CFO),提出了模型补偿二次调节(MCQR)最优控制算法,并给出了单个通道闭环系统的稳定性分析.这是一种不依赖或部分依赖模型的非线性最优控制方法,将CFO估计值实时反馈到NLQR中,以补偿非线性模型偏差和扰动.仿真中,基于CFO的MCQR算法实现了四旋翼无人机位置姿态下的稳定控制,在暂态性能、跟踪稳态精度、抗干扰和时变负载能力方面具有突出的优势,同时,在基于Pixhawk的四旋翼飞行器控制算法开发平台中实验验证了所提控制算法的优越性和有效性.

四旋翼无人机吊挂飞行减摆控制

针对四旋翼无人机吊挂飞行系统存在模型偏差及外界干扰带来的位置跟踪和减摆控制难的问题,提出了一种基于补偿函数观测器的非线性控制方法。首先,建立了四旋翼无人机吊挂飞行系统动力学模型,并设计了补偿函数观测器对未建模动态和未知扰动进行观测;然后,针对系统参考输入跟踪误差约束,构建了障碍Lyapunov函数来设计反步控制器,并在控制器中引入补偿函数观测器的估计值对系统总扰动进行补偿,保证了无人机位置误差和负载摆角在约束范围内变化,使系统能够达到预期控制效果。Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统的稳定性、位置误差的收敛和摆动的抑制。仿真结果表明,设计的控制器在对无人机位置精确控制的同时,能有效抑制吊挂负载的摆动。

多无人机编队递归非奇异终端滑模容错控制

为解决四旋翼无人机编队飞行过程中易受到外部干扰、空气阻力、执行器故障等不确定因素影响的问题,提出了一种基于补偿函数观测器(CFO)的递归非奇异终端滑模控制(RNTSMC)方法来提高四旋翼无人机编队系统性能。首先,引入具有高精度估计的补偿函数观测器,实时估计外部干扰、执行器故障等信息,通过设计递归积分终端滑模面改进非奇异终端滑模面等效控制器对估计信息进行补偿控制,并给定滑模面初始值,保证两滑模面依次连续到达平衡点,确保跟踪误差在有限的时间内快速收敛到0。其次,根据长机-僚机法建立编队模型,基于滑模控制理论,设计编队协同控制器,保证无人机编队完成飞行任务。最后,通过对比仿真结果表明,该方法对四旋翼无人机编队具有良好的容错性能。