直流降压变换器的降阶扩张状态观测器与滑模控制设计与实现

本文针对直流降压变换器的负载电阻扰动和输入电压变化等系统不确定因素对输出电压的影响,提出了基于降阶扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+RESO).首先设计降阶扩张状态观测器对系统状态,负载电阻扰动和输入电压变化进行估计,然后基于估计值利用滑模控制技术设计控制器,实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性.值得注意的是,不同于文[1]所提出的基于扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+ESO),本文所提出的方法采用降阶扩张状态观测器,实现简单,且无需电流传感器,减小了实际应用的成本.利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性.仿真和实验结果表明,与已有的基于扩张状态观测器的滑模控制方法相比,所提出的控制方法更好地改善了系统的跟踪性能和对干扰和不确定性的鲁棒性能,且减少了成本,但是牺牲了系统稳态性能.

Buck变换器的降阶扩张状态观测器与无抖振滑模控制

针对脉宽调制型Buck变换器的内外干扰和滑模控制的抖振等问题,本文提出了一种基于降阶扩张状态观测器和无抖振滑模的新型控制策略.首先,建立新型的跟踪误差状态空间模型,将匹配和不匹配干扰定义为统一的匹配干扰;然后,设计降阶扩张状态观测器提高跟踪误差微分和系统干扰的估计速度,并抵消负载和输入端的电压变化、系统参数不确定性对控制系统的影响;其次,利用跟踪误差微分的估计值设计滑模控制器抑制干扰估计误差,使得切换项近似为零,实现滑模技术的无抖振控制,提高Buck变换器系统电压跟踪的快速性和准确性.利用李雅普诺夫稳定判据从理论上证明了所提控制器的闭环稳定性.最后,仿真结果表明所提方法通过抑制抖振和内外干扰有效改善Buck变换器的鲁棒性和动态性能.

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。

基于降阶扩张状态观测器的重复控制系统设计

针对一类含有非匹配状态相关不确定性和外界干扰的伺服系统,提出一种基于降阶扩张状态观测器的重复控制方法,通过对不确定性和扰动进行实时估计和主动补偿,实现对周期性参考输入信号的高精度跟踪.首先,利用系统可测输出和控制输入信号设计降阶扩张状态观测器,对系统的不可测状态以及包含不确定性和外界干扰的总扰动进行估计;其次,通过选择合适的扰动补偿增益,构造基于扰动动态补偿的复合重复控制规律,消除总扰动对系统输出的影响,保证系统输出对周期性参考信号的准确跟踪;然后,基于小增益定理推导出系统稳定性条件和控制器参数设计算法;最后,通过数值仿真实例和实验验证所提方法的有效性和优越性.

基于降阶扩张状态观测器的逆变系统重复控制设计

针对具有参数不确定性和负载扰动的单相全桥LC型逆变器,提出一种基于降阶扩张状态观测器(ROESO)的重复控制系统设计方法。首先,根据电路定理推导出逆变器的数学模型,并针对该模型利用系统可测量输出电压构造ROESO,用以实时估计由系统参数不确定性和外部干扰组成的总扰动。在此基础上,嵌入改进型重复控制器,构造复合重复控制规律,实现对扰动的有效抑制和对周期性参考输入的高精度跟踪。然后,利用小增益定理推导出系统的全局稳定性条件,并给出控制器参数整定方法和系统设计步骤。最后,通过仿真验证所提方法的有效性和优越性。

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。

基于降阶自抗扰的永磁同步电机位置控制

为了实现永磁同步电机高精度位置控制,提出了一种基于降阶扩张状态观测器和线性反馈控制律的线性自抗扰三环位置控制策略。首先,建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型;其次,结合实际应用背景,针对系统中存在的建模误差和未建模干扰改写位置环状态表达式;再次,根据修改后状态空间表达式设计降阶状态观测器并证明其收敛性且给出收敛条件;最后,结合降阶扩张状态观测器设计复合控制律,证明其稳定性。通过搭建定位实验平台进行传统三环定位控制、线性自抗扰位置控制和降阶线性自抗扰位置控制的对比验证,仿真和实验结果验证了所提方法的有效性和优越性。

四旋翼飞行器降阶自抗扰控制

针对四旋翼飞行器模型不确定、易受外界干扰影响等特点,采用一种降阶自抗扰控制(RADRC)方法对其位置和姿态进行控制,并对控制系统稳定性进行了分析。在该方法中,将降阶线性自抗扰控制(RLADRC)与非线性跟踪微分器结合,以适应四旋翼飞行器各通道对控制性能的不同需求。其中,设计的降阶线性扩张状态观测器(RLESO)仅观测系统输出微分信号及扰动,避免了对已知信息的重复观测,使系统带宽在保证RLESO估计精度的同时,减小系统的噪声敏感度。通过仿真和Qball2平台实验对RADRC与传统线性自抗扰方法的轨迹跟踪能力和抗扰性能进行了比较,验证了RADRC方法的有效性和优越性。

基于RESO和复合滑模的永磁同步电动机调速控制

针对永磁同步电动机存在建模误差、参数和负载变化等内外干扰问题,提出一种基于降阶扩张状态观测器的复合滑模调速策略.首先,基于永磁同步电动机的状态空间模型,考虑到光电编码器可测量永磁同步电动机的转速信号,只需要设计观测器对系统的总干扰进行估计和消除,并分析降阶扩张状态观测器的性能;接着,引入滑模控制,设计滑模面和控制律,提高系统的抗干扰能力,并用Lyapunov方法证明控制器的稳定性;最后,基于DSP芯片TMS320F28335为控制核心和MATLAB环境下的控制模块,搭建半实物调速控制系统平台,并与传统PI控制和线性自抗扰控制进行对比验证.结果表明,所提出的复合滑模控制策略相较于传统方法在加载时转速变化量减少了60%以上,具有优越的抗干扰和调速性能.

基于LADRC的高速龙门式包带机TS-FNN同步控制

针对高速龙门式包带机的驱动过程平行轴产生噪声、振动和卡滞等问题,造成其驱动过程不同步的影响,提出一种降阶扩张状态观测器(reduced-order extended state observer,RESO)的线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection contro,LADRC)控制器和TS型模糊神经网络(TS fuzzy neural network,TS-FNN)同步补偿器相结合的控制方法。首先,针对高速龙门式包带机单轴的噪声、摩擦力和振动对伺服系统控制精度的影响,采用RESO的LADRC算法,以抑制控制系统的外部扰动和减少参数调节数量,从而提高位置跟踪精度;同时,针对平行轴中双直线电机因参数摄动和机械耦合等不确定扰动对位置同步精度的影响,采用交叉耦合的控制方法并结合TS-FNN同步补偿器来提高两平行轴的同步精度。通过实验对比验证,所采用的控制策略能有效减少高速龙门式包带机的单轴的跟踪误差,并提高平行轴的同步误差和抗扰性。

基于改进型自抗扰控制的PMSM速度控制

针对永磁同步电机伺服系统中存在的速度控制精度不高、抗负载扰动能力差等问题,提出改进型自抗扰控制策略。设计嵌合降阶扩张状态观测器,内环观测广义扰动,外环观测剩余扰动。设计模糊自抗扰速度控制器,基于MATLAB/Simulink建立模型。仿真结果表明:基于改进型自抗扰的控制策略能够有效的改善系统的控制性能,对速度、负载变化具有较强的鲁棒性。

基于模型信息的电静液作动器降阶线性自抗扰控制

针对电静液作动器(electro-hydrostatic actuators, EHA)系统存在内外部扰动、参数不确定性和变控制增益等问题,提出一种基于模型信息的降阶线性自抗扰位置控制方法.首先,基于系统模型信息选取控制增益.其次,通过降阶线性扩张观测器对系统总扰动进行估计,并在控制器中加入扰动项进行补偿.利用奇异摄动理论证明所提控制器可使闭环系统是半全局最终一致有界的,并且当观测器带宽足够大时,所提出的控制器理论上可以使系统输出以所需精度跟踪期望轨迹.仿真结果表明,所提控制方法响应速度较快,控制精度较高,对外部扰动和参数不确定性具有较强的鲁棒性.

车载光电侦察平台视轴稳定技术研究

为了进一步提高光电平台伺服控制系统的抗扰动能力,提出一种基于自抗扰控制器的改进型速度稳定回路。首先,分析了平台视轴稳定回路的数学模型并引入电流环对其进行了化简,通过伺服控制系统中扰动作用原理,引入扰动总和的思想。然后,设计含有降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器,对扰动总和实时观测并进行线性化前馈补偿。最后,以某型车载光电平台为控制对象,进行了PI控制器与自抗扰控制器的对比实验。实验结果表明,采用自抗扰控制器伺服控制系统相比PI控制法的阶跃响应速度更快,超调幅值仅为PI控制法的26.98%。使用摇摆台引入的频率为2.5Hz的正弦扰动,系统稳态误差幅值仅为PI控制法的9.76%。在系统模型参数改变±15%范围内,自抗扰控制器仍具有良好的抗扰能力,表现出很强的鲁棒性,满足光电平台的性能要求,对提升平台抗扰能力有着较高的实用性。

基于自抗扰控制的光电平台视轴稳定技术研究

针对影响光电平台控制精度的载体速度扰动以及测量噪声等因素,设计了扰动自抗扰以及滤波控制的两部分控制策略。首先,通过分析光电平台伺服系统速度稳定环的数学模型中扰动作用原理,等效各个扰动作用并提出扰动总和思想,设计了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器。其次,利用卡尔曼滤波器对系统中测量噪声进行了滤波处理,降低了扩张状态观测器的估计误差。最后,详细地进行了传统PI控制系统与文中设计的卡尔曼自抗扰控制系统的对比实验。实验结果表明,在设计带宽相同的情况下,卡尔曼自抗扰控制系统相比PI控制系统的阶跃响应稳定时间减小32.53%,超调幅值减小72.73%;当使用摇摆台引入幅值为1°频率、在2.5 Hz以内的正弦扰动时,卡尔曼自抗扰控制系统较PI控制系统的扰动隔离度提升了54.67%以上;在系统模型参数改变±15%范围内,卡尔曼自抗扰控制系统仍具有优异的扰动隔离性能,表现出较强鲁棒性,满足光电平台视轴稳定的性能要求,对提升视轴稳定精度有较高实用价值。

永磁同步伺服系统摩擦力和扰动补偿方法研究

伺服系统在低速运动时其控制精度极易受到摩擦力等扰动影响。通过对滚珠丝杠平台中摩擦力和扰动的分析,提出了一种基于LuGre摩擦力模型和降阶扩张状态观测器(RESO)的扰动补偿方法。首先利用曲线拟合和遗传算法辨识出系统LuGre摩擦力模型的参数,利用辨识出参数的摩擦力模型实现对系统中摩擦力的补偿;其次通过RESO实现对摩擦力的过补偿和欠补偿以及系统中其他集总扰动的观测补偿。试验结果表明该方法不仅可以提高摩擦力补偿的效果,同时还能对系统扰动进行抑制,有效提高了系统的跟踪精度。

机载光电稳瞄平台的线性自抗扰控制

为了提高机载光电稳瞄平台的抗扰动能力和动态响应特性,在平台上进行了基于线性自抗扰控制的改进控制方法研究。改进的线性自抗扰控制器采用模型辅助的降阶线性扩张状态观测器以及采用系统输出量和输出量微分来产生控制量,不仅可以减小观测器的相位滞后和观测负担,提高观测器对扰动的估计能力,还可以减小观测器滞后和估计误差对控制律的影响。仿真实验结果表明:改进的线性自抗扰控制器在低中频段具有更好的频域特性,阶跃响应实验中表现出更好的动态响应特性,在系统输入为零的条件下,给系统施加幅值为π、频率为2.5 Hz的正弦波力矩扰动和正弦波角速度扰动,基于线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.175(°)/s与0.566(°)/s,基于改进的线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.155(°)/s与0.030(°)/s,实验结果验证了改进方法的有效性。

基于扰动补偿的多源受扰系统反步控制设计

针对一类多源受扰系统的跟踪控制问题,提出基于降阶广义扩张状态观测器(ROGESO)的指令滤波反步控制设计方法.首先,将各通道中的总扰动分别作为扩展状态变量,通过构造ROGESO对其进行同步实时估计.在此基础上,利用反步法递归设计虚拟控制律,实现各级子系统的镇定,并将各通道的扰动估计值反馈至对应子系统的虚拟控制律中进行反向补偿,提高系统的扰动抑制性能,保证系统输出对参考输入信号的高精度跟踪.然后,应用Lyapunov函数分析闭环系统的稳定性.最后,通过数值仿真验证所提方法的有效性.

基于RLESO的高超声速巡航飞行器跟踪控制器设计

针对高超声速巡航飞行器的强非线性、强耦合、快时变以及不确定性等特性,文章设计了一种基于降阶线性扩张状态观测器的自抗扰跟踪控制器。其将高超声速巡航飞行器的纵向平面运动模型分为速度回路和高度回路,对各回路分别设计辅助状态变量以简化跟踪控制器的设计过程;在此基础上,对两个回路分别设计基于降阶线性扩张状态观测器的自抗扰跟踪控制器来获得满意的控制性能。仿真结果表明,相比于常规的线性自抗扰跟踪控制器,以降阶线性扩张状态观测器为基础的自抗扰跟踪控制器能够以更快的速度跟踪上系统的期望输入,且超调量更小。

高空舱飞行高度模拟串级LADRC鲁棒控制技术

针对航空发动机高空舱飞行高度模拟控制系统存在的强非线性、高度不确定性、强外部扰动等实际工程问题,对抑制系统不确定性影响的主要控制方法进行了分析和讨论,设计了一种基于降阶线性扩张状态观测器(RLESO)的串级线性自抗扰(LADRC)鲁棒控制方法。分析了被控对象的主要特性和控制难点,并将广义受控对象分为蝶阀位置回路和飞行高度回路。对两个回路分别设计降阶扩张状态观测器和控制器并组建串级控制系统。通过控制仿真并与经典PID控制方法进行了对比分析,结果显示在推力瞬变试验控制仿真中,被控压力的最大波动值从3.5 kPa减小至0.8 kPa,表明了基于RLESO的串级LADRC技术能够显著提升高空台飞行高度模拟的控制品质,获得了较为理想的鲁棒控制性能和抗扰性能。

基于线性自抗扰控制的大角度攻击武器姿态控制设计

针对大角度攻击武器快时变非线性特性和传统PID控制参数难于调节的矛盾,提出了一种基于降阶线性扩张状态观测器的线性自抗扰PD控制方法,采用一组控制参数即完成了大角度攻击导弹俯冲段姿态控制设计。设计过程和弹道仿真表明,提出的方法控制参数调节简单,姿态指令跟踪良好。