基于改进跟踪微分器与前馈的模糊自适应PID控制

经典PID控制器在工程领域应用广泛,但其快速性和超调量之间不能很好地实现协调控制,且误差信号在经典意义上不可微,导致微分难以被有效利用。基于此,在典型跟踪微分器研究的基础上,采用一种具有良好的动态响应和滤波功能的改进非线性跟踪微分器对输入信号进行快速、无超调跟踪。并结合前馈控制和模糊自适应PID控制提升系统的稳定性和快速性,设计了一种基于改进跟踪微分器与前馈的模糊自适应PID控制器。以移相全桥变换器为控制对象,用经典PID与其进行对比分析。仿真与实验波形分析发现,所提控制器的鲁棒性更高,同时可将调节时间缩短至40%,响应速度也更快。

基于改进型跟踪微分器的HOT-FSMO无感控制

针对传统一阶磁链滑模观测器存在较大滑模抖振和相位延迟问题,文中提出了一种基于改进型跟踪微分器的高阶终端磁链滑模观测器(High-Order Terminal Flux Sliding Mode Observer,HOT-FSMO)。通过设计一种高阶滑模控制律实现磁链估计的抖振抑制,并结合了一种含终端吸引子的低抖振新型跟踪微分器取代传统低通滤波器以便精确跟踪磁链和转子位置,从而实现滤波功能。实验结果表明,在不同转速和负载条件下,相比于传统线性磁链滑模观测器,基于新型跟踪微分器的高阶终端磁链滑模观测器能够有效降低滑模抖振,减小位置估计误差,并加快系统的响应速度,提高系统的动态性能。

基于跟踪微分器的伺服系统抗干扰特性仿真研究

伺服系统模拟器作为模拟飞机船舶等舵机的环境测试关键设备,其加载力的控制品质决定了模拟器的加载性能。根据加载测试的实际需要,力伺服系统和位置系统(即被加载对象)的刚性连接,会在加载过程中易受到被加载对象等外部干扰的影响,导致加载精度难以保证。为优化模拟器力加载特性,采用了跟踪微分器与结构不变性原理相结合,将被加载对象带来的位置等干扰看成是对伺服系统的总扰动,通过跟踪微分器对被加载对象运动速度进行观测,并采用跟踪微分器来获取加载系统的速度来进行前馈补偿。该补偿对于伴随有随机噪声的输入信号,起到微分并滤波的作用,减小被动加载误差。最后通过仿真实验对比了所提出的控制策略与传统PID控制的加载效果,结果表明采用本文所述控制方法可有效抑制被动加载时的外部扰动,提高了电液力伺服加载系统的加载精度。

基于反步鲁棒控制与改进跟踪微分器的PMSM无传感器控制

为了进一步提高永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)无传感器控制的观测精度,提出了基于反步鲁棒控制与改进跟踪微分器的PMSM无传感器控制方法。首先,建立了PMSM的数学模型。其次,以Sigmoid函数为基础,设计跟踪微分器,实现对PMSM转子转速和位置的观测。然后,为了提高系统的抗扰能力,将反步控制和鲁棒控制相结合,对PMSM调速系统设计了反步鲁棒控制器。最后,设计了双曲正切跟踪微分器对外部负载进行实时观测,并将其补偿给控制系统,达到降低负载扰动对电机转速影响的目的。实验结果表明,该观测器对电机转子转速和位置具有良好的观测效果,同时反步鲁棒控制也具有较高的控制精度,对负载有很好的抑制效果。

基于自适应非线性跟踪微分器的直线电机位置和速度检测方法

为了解决直线电机的位置和速度检测的问题,设计了基于激光器阵列的光栅传感器位置检测系统,提出一种利用非线性跟踪微分器的直线电机速度测量方法,对电机动子位置进行准确跟踪以及对动子的速度进行测量。针对传统的非线性跟踪微分器在一定速度下处理测量噪声干扰和相位延迟存在矛盾的问题,设计了一种自适应非线性跟踪微分器,其参数能够跟随电机动子的运动速度自动调整,频率特性分析证明了其良好的微分特性。仿真和实验结果均证明了所设计的直线电机光栅位置检测方法和自适应非线性跟踪微分器测速的有效性,在电机运行的全速范围内都能够很好地抑制测量误差以及滤波效应带来的延迟,获得全程精确且快速的电机动子位置信号和速度输出信号。

基于新型跟踪微分器的磁浮车悬浮控制算法研究

针对磁浮列车运行过程中悬浮间隙信号存在随机噪声的问题,在间隙传感器输出端加入跟踪微分器(Tracking-Differentiator,TD)对信号进行跟踪滤波,进而设计反馈控制器实现磁浮列车稳定悬浮。以状态反步法确定最速离散二阶系统的边界曲线以及控制特征曲线,并确定可达区与线性区的控制量,区别于韩京清跟踪微分器算法(fhan-TD)中比较复杂的非线性运算,构造了具备线性特征的简易最速综合控制函数进而设计了一种新型跟踪微分器算法;以间隙信号及速度信号为状态变量创建二阶状态方程,根据实际磁浮列车悬浮结构建立磁浮车单点悬浮控制系统模型;在PID(Proportional IntegralDerivative)控制器的基础上,引入所提出的新型跟踪微分器对间隙输出信号进行跟踪滤波,搭建基于跟踪微分器的悬浮反馈控制器框架,实现磁浮车的稳定悬浮。数值仿真结果表明,所提出的跟踪微分器算法具有良好的跟踪滤波性能与相位品质,与传统fhan-TD相比,当输入带噪声正弦信号时,其滤波效果提升了37.5%,相位滞后减少了5.04%;当输入带噪声方波信号时,其滤波效果提升了33.87%,相位滞后减少了30.34%。试验结果表明,所提出的跟踪微分器能够有效抑制间隙传感器中不同强度的随机噪声,并且所设计的悬浮反馈控制器使得磁浮列车在悬浮上升阶段超调量减少了6.57%,调节时间缩短了0.11 s,验证了所提算法的有效及实用性。该新型跟踪微分器及其反馈控制器对于工程实现具有很好的参考价值。

基于改进跟踪微分器的磁浮列车悬浮控制研究

磁浮列车悬浮系统的间隙传感器信号存在大量量测噪声,影响了悬浮控制的控制品质与稳定性。为解决该问题,文章借助等时区的方法确定最速离散二阶系统的边界层,根据边界层与可达区构造无需复杂开根号运算的新型最速控制综合函数,同时通过微分预报补偿方式实现相位补偿,进而设计了基于新型跟踪微分器的悬浮反馈控制器。数值仿真表明,该跟踪微分器能够快速跟踪输入信号,具有良好的滤波效果,无颤振、无超调。通过磁浮列车实车测试,基于所提出的跟踪微分器的悬浮控制器能使起浮阶段的最大超调量减少约15%,实现磁浮列车的稳定悬浮控制,具有很强的工程实用性。

基于未知状态估计器和改进跟踪微分器的柔性关节预设性能反演控制

为解决由模型不确定性和外部未知干扰导致的柔性关节系统控制偏差问题,提出一种基于未知状态估计器和跟踪微分器的预设性能反演控制方法。设计一种基于低通滤波器的未知状态估计器,该估计器仅依赖于模型的名义值即可估计集总扰动。构造了一种新的有限时间收敛预设性能函数,并基于该函数设计反演控制器,用于在保证闭环系统所有信号有界的情况下,使关节跟踪误差在约定时间内收敛到预定的任意小区域。为避免反演控制器的微分爆炸问题,设计基于改进Sigmoid函数的跟踪微分器来估计虚拟控制律的微分信号。仿真结果表明,在未建模动态和外部未知干扰的影响下,所提方法能够保证关节跟踪误差在有限时间内收敛到任意给定范围,有效提高了柔性关节的瞬态和稳态性能。

改进跟踪微分器在喷头墨点补偿中的应用

3D打印封装技术是电子封装保护领域的新型工艺,双向打印过程中喷头平移和墨滴喷射之间的相对运动使墨滴实际位置与期望位置产生偏差,影响封装效果。在喷头到达打印位置前一段时间(墨滴飞行时间T f)喷射可以消除偏差,因此准确获取墨点具体喷射时间至关重要。提出一种改进跟踪微分器估计喷头速度,通过估计的速度值计算采样点到打印位置的移动时间进而得到各墨点喷射时刻,实现喷头墨点补偿。该方法基于位移信息可快速估计速度,有效滤除位置测量时带有的噪声,速度估计比较准确,无需基于对象模型,易于实现。仿真与实验验证该速度估计方法可较准确估计喷头速度值,响应速度较快,有效减小喷头双向打印过程中的墨点偏差,双向打印对准精度在23μm以内。

跟踪微分器滤波性能研究

对跟踪微分器的滤波性能进行了研究,由跟踪微分器滤波所产生的相位延迟,利用它能够得到的原始信号的滤波信号和其微分信号,采用预报的方法进行补偿。仿真结果表明,所采用的这种近似方法较好地再现了原始信号。在一个采样时间不固定,且采样信号带有噪声的应用实例中,采用变步长的跟踪微分器加预报的方法得到了较好的结果。

高稳快速非线性-线性跟踪微分器设计

针对典型跟踪微分器函数形式复杂、稳定性差和输出振颤明显的问题,设计了一种改进的高稳定性快速收敛非线性-线性跟踪微分器(MTD).首先通过引入非线性奇指数函数环节和线性函数环节构造MTD的跟踪函数,然后利用李雅普诺夫直接法和系统等价性证明MTD的全局渐近稳定性,最后通过对参数物理意义和参数变化对跟踪输出精度影响的分析得到MTD参数整定规则.跟踪过程中,当状态与平衡点距离较远时,MTD以非线性环节为跟踪函数主体驱动状态向平衡点快速收敛,以提高系统输出的跟踪速度;当状态与平衡点接近时,MTD以线性环节为跟踪函数主体驱动状态平稳逼近平衡点,以抑制系统输出振颤.仿真表明,MTD参数容易整定,与典型跟踪微分器相比,MTD在系统稳定性、收敛速度和输出平稳性方面具有优势,且具有滤波功能.

非线性跟踪微分器在光电编码器测速中的应用

给出了一种基于位置测量的实时速度估计方法,并应用于轴角编码器测速。该算法基于非线性跟踪微分器理论,采用对输入信号进行数值积分的方式,快速准确地估计出其微分信号,避免了常规差分算法带来的噪声放大问题;算法不依赖于对象模型,计算量小,易于实现。给出了该算法的理论依据,以及基于欧拉方法的离散表达公式,并进行了数值仿真分析和实验验证。实验结果表明:该方法能有效地降低编码器采样频率和测量噪声对测速的影响,明显提高低速测量的实时性和准确性,进一步将此方法应用于实验系统的速度闭环反馈控制,在不改变控制器参数的情况下,将0.004(°)/s的速度波动方差从1.563(″)/s减少到1.066(″)/s,改善了低速跟踪的速度平稳性。仿真和实验证明了该方法的有效性和实用性。

带有跟踪微分器的导弹增量动态逆控制律设计

针对基本动态逆控制鲁棒性差的特点,设计了一种带有跟踪微分器的导弹增量动态逆过载控制律。首先建立了快慢两个回路的导弹过载控制模型,然后通过状态速率反馈,对快慢回路分别设计了增量式动态逆控制律,并进行了鲁棒性分析。最后通过引入快速跟踪微分器解决增量动态逆控制律中所需状态速率无法量测的问题。仿真结果表明,所设计的带有跟踪微分器的导弹增量动态逆控制律具有强鲁棒性。

改进的反正切跟踪微分器设计

针对反正切跟踪微分器存在设计参数多、整定困难和噪声抑制能力有限等不足,提出了一种改进反正切跟踪微分器(Modified Arctangent-based Tracking Differentiator,MATD).通过引入非线性函数和简化设计参数构造了MATD的跟踪函数,证明了其全局一致渐近稳定性.在分析MATD跟踪函数的状态收敛过程的基础上,阐述了其改进机制,并通过分析设计参数不同取值对频域特性的影响,得到了MATD的参数整定规则.仿真结果表明,MATD响应快速,精度较高,且具有更强的噪声抑制能力.

双曲正弦非线性跟踪微分器设计

针对传统跟踪微分器算法复杂、参数整定困难和噪声抑制能力有限的不足,设计了一种新型双曲正弦非线性跟踪微分器(HNTD)。引入终端吸引子函数和双曲正弦函数构造了HNTD的跟踪函数,并证明了其全局一致渐近稳定性。通过仿真分析设计参数变化对HNTD频域特性的影响,为其设计参数的整定提供参考。双曲正弦函数既能保证HNTD状态收敛的快速性,又能有效避免平衡点附近的颤振现象;终端吸引子函数则保证了HNTD对噪声良好的抑制效果。仿真结果表明,HNTD的跟踪和滤波效果与传统跟踪微分器相比,不仅结构形式简单、设计参数相对较少、整定规则明确,而且在跟踪精度、响应速度和滤波能力等方面均具有一定的优势。

改进的非线性跟踪微分器设计

在对典型跟踪微分器深入研究的基础上,提出一种改进的非线性跟踪微分器.该跟踪微分器综合了线性跟踪微分器和非线性跟踪微分器的优点,不但无颤振现象,而且具有良好的动态响应和较强的滤波能力,兼顾了快速性和准确性的要求,可实现任意信号的跟踪和微分.该跟踪微分器形式简单、易于实现.仿真结果表明,改进型非线性跟踪微分器具有优良的性能.

莫尔条纹光电信号的非线性跟踪微分测速方法

为了实现在低速情况下系统速度的检测,提出了一种基于莫尔条纹光电信号和非线性跟踪微分器的测量角速度和角加速度的方法。首先,分析了莫尔条纹光电信号特性;然后结合非线性跟踪微分器理论,对编码器输出的光电信号进行滤波和相位补偿;最后,将两级非线性跟踪微分器级联,同时得到速度和加速度。实验结果表明:该方法增加了低速时采样频率,提高了速度测量的平稳性、精度和实时性。将该方法应用于某采用21位编码器作为角度传感器的系统中,成功实现了速度及加速度地检测。当速度降低到0.0017(°)/s时,设置采样时间为5ms,则采样频率为通常方法的20倍,更好的解决了低速系统对测速平稳性、精度和实时性的要求。

一种基于边界特征线且特征点可变的二阶非线性离散跟踪微分器及在测速定位系统中的应用

利用状态反推方法确定最速离散二阶系统的线性区域的边界特征线及控制特征线,以相平面上的点及边界曲线、控制线的相对位置按线性规则确定控制量的大小,区分可达区与线性区,并依此构造最速分段线性函数形式的跟踪微分器(Tracking-differentiator,TD),这种算法可以方便地修改特征点,适应能力强,而且运算中不包含任何根号运算,使得控制综合函数的形式极大简化,有利于工程实现.对正弦信号及方波信号的仿真结果表明了上述结论的合理性.验证了特征点分段线性算法在适当修改特征点后得到的TD,与经典TD以及它的线性近似进行比较,跟踪能力和微分提取能力都得到了较大的提高.应用移动平均算法构成的跟踪微分器组,具有相位补偿功能,适当选取TD参数后,得到了滤波能力强、相位特性良好的滤波器,并应用于基于长定子齿槽检测的永磁电动磁悬浮列车的测速定位系统中.实验结果表明,本文提出的简化TD按相位补偿确定的方案能有效滤除脉冲和扰动等噪声,对过轨道接缝时的畸变信号进行修复,边界容易修改,算法简单有效,实时性强,易于工程实现.

基于小波滤波和跟踪微分器的介质损耗因数检测方法

提出了一种新的介质损耗因数检测方法,将电压与电流信号经过小波滤波得到基波分量,利用跟踪微分器求得电压的一阶微分信号,再根据电压信号、电流信号和电压一阶微分信号计算介质损耗因数。仿真结果表明:该算法物理意义明确、计算简单、测量结果精确,可用于介质损耗因数的离线测量与在线监测。

高精度快速非线性离散跟踪微分器

对二阶连续系统最速控制设计中采用的综合函数作了分析,得到了一种新的高精度、快速离散非线性跟踪微分器,并对其滤波特性、微分提取特性进行了初步分析.分析表明,这种跟踪微分器对输入信号具有很好的跟踪能力,能够滤除噪声和提取微分信号.相位延迟小,幅值衰减小,因而具有跟踪的快速性、准确性.最后,给出了数值仿真例子来验证该算法;并给出了一个实验结果,证实了算法的可行性.