基于滑模变结构和高增益状态观测器的直流电机位置控制

针对直流电机位置跟踪控制,提出一种基于高增益状态观测器的直流电机位置滑模控制算法.首先建立直流电机状态空间表达式;然后设计高增益状态观测器,观测直流电机的速度和电流及其导数信号,选取合适的极点保证观测器的准确性和稳定性;最后改进滑模变结构控制算法的指数趋近律,在只采用位置传感器、电流和速度及其导数信号通过状态观测器得到的情况下,实现直流电机的位置跟踪控制,使控制系统具有较好的控制性能且易于硬件实现.对比传统滑模和PID算法,验证了该算法的有效性.

基于高增益观测器的挖掘机工作装置滑模控制

为了提升挖掘机自动化水平,减少传感器使用数量,节约控制成本,本文设计了基于高增益观测器的滑模控制器,控制挖掘机铲斗轨迹。建立了挖掘机关节空间与驱动空间位移、速度与力之间的关系,对挖掘工况中常见的以定切削角直线整平作业进行了轨迹规划,并得到相应驱动空间中液压缸杆位移规划曲线。以伺服阀输入电压为控制输入,建立了挖掘机驱动空间,即伺服液压系统数学模型。其次在匹配不确定性与非匹配不确定性存在条件下,采用基于高增益观测器的滑模控制使液压缸杆位移跟踪规划值,并基于奇异摄动理论证明了闭环控制系统的稳定性。相较于以挖掘机关节转矩为控制输入,本文采用伺服阀电压作为控制输入更为直接且易于实践。采用高增益观测器对状态观测,可减少传感器的使用数量,节约整机控制成本。控制器的设计对一类问题具有广泛意义且从理论上证明了复合控制系统稳定性。

一类基于高增益观测器的多输入多输出非线性时滞系统的自适应模糊动态面控制

针对一类多输入多输出且状态不可测非线性时滞系统,提出了一种自适应模糊backstepping输出反馈控制方案。因为模糊逻辑系统的逼近性,利用其对未知函数进行逼近,设计高增益非线性模糊观测器估计不可测状态。并结合自适应backstepping技术和动态面控制技术,提出了自适应模糊backstepping输出反馈控制策略。证明了系统中所有信号都一致有界,此外,选择适当的参数能够保证跟踪误差和观测误差收敛到很小的一个领域内。通过仿真验证了所提控制策略的有效性。

基于非线性状态观测器的永磁同步电动机无位置传感器矢量控制

应用微分流形理论分析了面贴式永磁同步电动机在不同工作状态下的状态不可区分性,研究了其旋转坐标系模型的局部弱能观及全局能观性。在此基础上,设计了降阶全局能观测子系统的高增益非线性电流-速度观测器,并将其应用到转子速度的实时估计中。基于大范围调速及暂态过程中估计值偏差大的情况,利用观测到的交轴电流微分值设计了观测器自适应增益率,分析了其对观测器状态收敛的适应性。利用直轴观测到的电流与实际测量值的微分差值设计了转子的位置估计器。分析了该方法对定子电阻及外部转矩扰动的参数变化鲁棒性。为了验证所提方法的正确性,分别进行了数值仿真及实验验证。

具有状态约束的机电伺服系统自适应鲁棒控制

针对执行器动态及其状态受限、状态中存在测量噪声的问题,为伺服系统设计了一种基于非线性高增益观测器的自适应非线性鲁棒跟踪方法.基于系统位置测量值设计高增益观测器,利用滤波器消除噪声对观测器精度的影响,采用自适应律估计观测器增益,以保证观测器的鲁棒性.在设计过程中,引入一种新的障碍Lyapunov函数,以限制中间控制信号的幅值而满足系统对状态变量的约束要求,并通过Lyapunov方法验证了闭环系统的一致有界稳定性.结果表明,所提出的方法能够准确估算负载位置和速度.与传统的控制方法相比,其所观测的信息量较充分、估计精度较高、抗干扰能力及参数变化的鲁棒性较强.

恒功率负载条件下Boost变换器复合控制技术

直流微电网中大量接入变换器驱动负载,因其输入阻抗往往表现出负阻抗特性,易与供电单元产生交互作用,极大地衰减了系统阻尼,激发了系统振荡。为此,针对直流微电网源侧Boost变换器,此处提出一种无源控制(PBC)和扩张高增益状态观测器(EHGSO)相结合的复合控制方法,首先建立了考虑多因素影响的Boost变换器模型,然后结合无源理论及观测器理论设计了复合控制器,确保了系统在不同负载工况下的全局稳定性,并在实验室内建立了含两台120W原理样机及一台恒功率负载的实验微电网系统,通过实验验证了所提方法的有效性和正确性。

燃料电池-锂电池混合供电系统的无源控制策略及参数设计方法

多源混合供电技术可有效地利用不同供电单元性能,在电气化交通系统中得到广泛应用。然而,随着越来越多的恒功率特性及强脉动特性负载接入供电系统,系统的稳定性难以得到保证。针对传统线性控制方法难以保证系统的大信号稳定性,而现有非线性控制的研究仍缺乏兼顾稳定性和动态性能的控制参数设计方法的问题,该文对燃料电池-锂电池混合供电系统设计基于无源控制和扩张高增益状态观测器的复合控制方法,并对控制器和观测器参数进行了设计,有效地保证了系统的动静态性能。在实验室搭建一套额定功率为3 kW的燃料电池-锂电池混合供电系统实验平台进行测试,结果验证了所提控制策略和参数设计方法的有效性和正确性。

控制增益符号未知的非线性系统执行器故障补偿

针对一类具有方向未知的不确定增益函数和未知执行器故障的不确定非线性系统,将Nussbaum函数增益与自适应输出反馈设计相结合,提出一种自适应鲁棒非线性容错控制方案。本方案无需精确获得执行器故障信息,并通过引入控制参数在线自适应调整技术,使得控制器对参数、干扰以及故障变化具有很强的鲁棒性,采用Nussbaum增益方法放松了对高频增益符号已知的假设,利用鲁棒项抵补偿自适应逼近误差和未知外界干扰的影响,通过李雅普诺夫方法从理论上严格证明了整个闭环系统信号的有界性和渐进的输出跟踪。仿真结果验证了该方法的有效性。

基于改进型ADRC的双轴伺服系统摩擦补偿研究

文章针对双轴伺服系统中摩擦的非线性、不确定外扰,在分析系统轮廓误差的基础上,结合交叉耦合的思想,采用了一种改进型二阶自抗扰控制器(ADRC),对摩擦力进行补偿。该控制器利用具有强鲁棒性的高增益扩张状态观测器观测系统的摩擦及其它内外扰动,并加以补偿,同时采用了一类新的非线性函数,克服了由于常规ADRC非线性状态误差反馈控制律中非线性函数的不平滑性,而导致系统对于摩擦敏感的缺点。仿真对比分析表明,改进型ADRC能够很好地进行摩擦补偿,使系统具有更好的鲁棒性,提高系统轮廓加工精度。

永磁同步发电机自适应分数阶PID控制设计

设计了一款新型自适应分数阶比例-积分-微分(AdaptiveFractional-Order Proportional-Integral-Derivative,AFOPID)控制,以实现永磁同步发电机(Permanent Magnetic Synchronous Generator,PMSG)的最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。首先,将发电机非线性、参数不确定性、未建模动态以及随机风速聚合成一个扰动,并通过高增益状态-扰动观测器(High-Gain State and Perturbation Observer, HGSPO)对其在线估计。随后,采用分数阶PID(Fractional-Order Proportional-Integral-Derivative, FOPID)控制对该扰动估计进行完全补偿,以实现不同工况下全局一致的鲁棒控制性能。AFOPID控制较传统PID控制而言具有更出色的MPPT性能,且其无需精确的PMSG模型,仅需测量d轴电流和机械转速,易于实现。通过阶跃风速和随机风速两个算例,对AFOPID的控制性能与PID控制、FOPID控制和反馈线性化控制(Feedback Linearization Control, FLC)进行了对比。仿真结果验证了AFOPID控制的有效性和鲁棒性。

可重复使用飞行器的保性能姿态跟踪控制方法

针对可重复使用飞行器再入姿态跟踪控制问题,在考虑执行器饱和、气动参数摄动和外部扰动的情况下,提出了一种保性能姿态跟踪控制方案。通过构造预设性能函数,使姿态跟踪误差在预先设置的包络内演化,保证了系统的瞬态和稳态性能;其次,借助于高增益扩张状态观测器解决了气动参数摄动和外部扰动的问题;之后,基于反步控制框架,设计了一种低复杂度的输出反馈扰动补偿控制方法,保证跟踪误差的收敛性。与已有方法相比,所设计的方法不包含一些复杂的非线性动力学近似技术,如神经网络等,降低了参数调节的复杂性,且无需对虚拟控制律重复微分,避免了"微分爆炸"问题。同时,Lyapunov稳定性分析表明,该方法能够保证误差变量的预期收敛以及其他闭环系统信号的有界性。最后,通过对比仿真验证了所提方法的有效性及可行性。