基于高增益观测器的火炮药协调臂位置控制

针对火炮协调输药机在协调过程中药协调臂运动到位精度不足的问题,提出了一种基于高增益观测器的火炮药协调臂自适应滑模控制策略,设计高增益观测器来估计火炮药协调臂伺服系统的未知状态并对其进行有效的在线跟踪和补偿,设计滑模控制器来消除所观测状态的误差,从而实现药协调臂机电伺服系统的快速高精度控制。针对滑模控制过程中出现的高频抖振现象,设计了一种自适应律并与滑模控制器相结合,从而极大地削弱了控制量的抖振。仿真实验结果表明,在输药机装满药的极端工况下,该控制策略能够大幅提高药协调臂的到位精度,具有较强的鲁棒性。

基于高增益观测器的船舶动力定位系统的输出反馈控制

针对动力定位船舶的速度向量不可测的问题,考虑外部环境扰动,将高增益观测器、动态面控制技术和矢量backstepping方法相结合,设计仅依赖于船舶位置和艏摇角测量值的船舶动力定位系统输出反馈控制律.动态面控制技术的引入,使控制律结构简单,易于工程实现.应用Lyapunov函数证明了所设计的控制律能迫使船舶的位置和艏摇角收敛于期望值,并保证船舶动力定位输出反馈闭环系统所有信号均一致最终有界.基于一艘供给船的仿真研究验证了所设计的基于高增益观测器的船舶动力定位输出反馈控制律的有效性.

基于高增益观测器的航迹角自适应反步控制

针对飞行控制系统中状态向量不完全可测量的问题,设计了一种高增益神经网络自适应观测器.在常规高增益观测器的基础上引入径向基(RBF,Radial Basis Function)网络自适应项,对建模误差和外界干扰进行在线估计.将高增益观测器与基于动态面的反步控制相结合,提出了一种神经网络自适应反步控制方法.引入一阶滤波器,避免了传统反步控制中的"计算膨胀"问题.基于Lyapunov稳定性理论,给出自适应输出反馈控制器和RBF网络权值向量的自适应律,并证明了闭环系统是半全局一致有界.从航迹角控制系统仿真结果可以看出,航迹角能够较好地跟踪指令信号,不受建模误差和外界干扰的影响,所设计的观测器具有良好的收敛性,控制系统具有较高的鲁棒性.

基于高增益观测器的AUV水平面轨迹跟踪控制

通过研究欠驱动自治水下机器人(AUV)在水平面的运动规律,针对欠驱动AUV水平面轨迹跟踪控制中的非完整约束、模型中的耦合性和非线性、海流干扰、跟踪精度问题进行了深入的研究,运用高增益观测器结合反步控制方法对欠驱动AUV轨迹跟踪进行有效控制。定义了AUV的地面坐标系和船体坐标系,并完成了地面坐标系向船体坐标系的转换,建立了欠驱动AUV的水平面运动学模型和动力学模型。为欠驱动AUV所提出的高增益观测器结合反步控制方案,在保证跟踪系统稳定性的前提下,可以有效地提高跟踪精度,能够消除外界干扰对控制效果的影响,并使得控制输入满足实际工程的应用约束条件。控制方法的稳定性均采用Lyapunov稳定性理论加以证明,并通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。

一类具有高增益观测器的非线性系统的输出调节

针对具有由非线性外部系统产生的未知不确定性函数和未建模动态的非线性不确定系统,研究了其跟踪和干扰抑制问题。首先运用状态变换将输出调节问题转化为非线性系统的镇定问题,接着引入动态信号解决了动态扰动,并设计出高增益的状态观测器去估计不可测的状态。然后根据外系统信息设计自适应的非线性内模,结合自适应控制理论、Backstepping设计方法、模糊控制方法和Lyapunov法给出了输出反馈的自适应模糊控制器和自适应控制律,所提出的输出反馈控制器和自适应律能够实现整个闭环系统的跟踪和干扰抑制,并使得跟踪误差能渐近收敛到给定的任意小的领域内。最后仿真结果验证了所提出的控制器的有效性。

带高增益观测器的高精度镜筒定位系统

以长焦距斜视相机俯角系统为研究对象,针对高动态下自准直检焦镜筒定位精度不高的问题,提出了一种基于高增益观测器的多环路控制策略。首先,根据俯角控制系统开环幅频特性曲线,建立了俯角位置控制系统的数学模型,从控制理论角度分析了所设计控制策略的可行性;然后,通过实际系统进一步验证了所设计控制策略的可靠性。实验表明,高增益观测器能够很好地估计镜筒在非惯性空间下的角速度和角加速度状态;相比于双闭环控制方法,本文提出的控制策略可将俯角位置控制扰动最大误差减少96.3%,保证了镜筒的检焦位置定位精度优于0.05°,因此具有较好的工程应用价值。

带有高增益观测器的MDF连续热压系统滑模控制

中密度纤维板(Medium Density Fiberboard,MDF)作为木材综合利用率高的一种人造板材,其厚度精度决定了板材的力学性能,从而影响其质量。本文将连续热压机电液位置伺服系统作为被控对象,针对MDF板坯厚度控制问题,提出一种带高增益观测器的滑模控制策略。首先通过设计高增益观测器对系统输出的位置信号进行观测,将位置、速度及加速度信号的估计值返回滑模控制器,实现了无需速度、加速度测量的滑模控制,保证了观测误差一致最终有界。然后通过构造合适的Lyapunov函数,证明了所提出的控制策略不但能使系统指数渐近稳定,而且保证了跟踪误差的一致最终有界性。仿真实验结果表明,所提出的控制方法可以保证系统精准快速地跟踪位置信号,从而可以保证MDF获得良好的厚度精度。

基于高增益观测器的船舶航迹鲁棒跟踪控制

为实现水面船舶的航迹精确跟踪控制,考虑了海浪干扰对控制系统的影响,提出了基于高增益观测器的鲁棒最优控制方法。首先,针对系统内部不确定性和外界扰动对控制精度带来的影响,建立了含有系统复合扰动的非线性航迹跟踪模型;进而,设计高增益观测器对系统复合扰动进行估计和补偿,并设计一个带有前馈补偿器的最优控制器,获得系统的期望跟踪性能。最后针对某船舶进行了航迹跟踪控制的数值仿真试验,仿真结果表明设计的控制器对外界海浪干扰有较好的抑制作用,可以实现船舶航迹的精确跟踪。

一类混沌系统的高增益观测器同步方法

针对SQCF(simplest quadratic chaotic flow)模型类的不确定混沌性系统,基于高增益观测器的方法,讨论了混沌同步设计方法.通过在观测器中加入滑模项来抑制未知干扰的影响,以此设计了一个鲁棒高增益观测器.高增益的选取基于一代数Riccati方程的解,为此讨论了Riccati方程解的存在性.设计滑模增益,使系统达到并保持在滑模面上.基于坐标变换和Lyapunov稳定性理论,证明了同步的收敛性.针对一个SQCF混沌系统进行了仿真设计,仿真结果表明了该方法的有效性.

非线性微分-代数子系统的初始化高增益观测器设计

针对一类大系统中的非线性微分-代数子系统,研究其状态观测问题,提出了一种初始化高增益观测器设计方案.首先,通过一个非线性微分同胚变换,实现了系统的等价变换;然后针对等价系统,给出了初始化状态观测器设计,使得观测误差是指数收敛的;最后,给出一个数值仿真算例.仿真结果验证了该方法的有效性.

基于高增益观测器的SISO非线性系统模糊自适应输出反馈控制

针对一类状态不可测的SISO非线性不确定系统,提出一种新的模糊自适应Backstepping输出反馈控制,利用模糊逻辑系统逼近未知非线性函数,设计模糊自适应高增益观测器对系统未知状态进行观测,利用模糊自适应Backstepping控制方法设计模糊自适应输出反馈控制器。通过理论分析证明了闭环系统是半全局一致最终有界的;观测误差和跟踪误差都分别收敛到零的一个小邻域内。

基于自适应高增益观测器的永磁同步电机预测电流控制方法

针对永磁同步电机(permanentmagnetsynchronous motor,PMSM)预测控制系统的模型失配、时变矩阵及观测器增益选择问题,提出基于自适应高增益观测器的预测电流控制方法(predictive current control based on an adaptive high-gain observer,AHGOPCC)。通过构建PMSM的前馈型扩张数学模型,集成考虑电机电阻、电感、磁链参数扰动项。提出基于前馈型扩张标称数学模型的高增益观测器,有效跟踪和估计电流与扰动状态及抑制转速变化引起的扰动。同时,设计自适应观测器增益矩阵满足全速工况的高增益条件,简化观测器的增益选择。在此基础上,构建离散化电流模型和成本函数,实现预测电流控制算法。实验结果证明了该方法的有效性,在多种工况下具备更优的快速性、鲁棒性及稳定性。

基于高增益观测器的火箭炮高精度跟踪研究

针对火箭炮伺服系统实际运行过程中存在不确定干扰和噪声,而微分运算对噪声极为敏感,容易放大噪声,激发系统的未建模特性,严重影响控制器精度,所以不宜直接对参考信号进行微分操作,故设计了一种高增益观测器来估计信号的高阶导数信息。提出建立火箭炮机电伺服系统模型,采用高增益观测器对信号的高阶导数进行估计,就避免了微分项膨胀问题,从而为设计控制律提供准确的信息,最终设计了鲁棒控制律。仿真和实验结果表明,上述方法不仅保证了系统的静、动态特性,而且对于系统不确定性具有较强的鲁棒性。研究结果为进一步完善控制器理论结构及实践应用提供了参考依据。

基于高增益观测器的单球移动机器人控制

为针对单球移动机器人状态不完全可测及抗干扰能力弱的问题,提出一种基于高增益观测器分离定理的欠驱动滑模控制。首先,将单球移动机器人简化为二维倒立摆系统,并建立了拉格朗日动力学模型;然后,设计了欠驱动滑模控制器在机器人自平衡的同时,进行轨迹跟踪,实现机器人位姿的实时控制,并验证了系统的稳定及收敛性;再者,针对机器人运动过程角速度、位移速度等不可测量的问题,设计了高增益观测器来估计其状态,并对其观测误差进行了有界判定;最后,通过仿真和实验对控制方法进行了验证,结果显示:相比与传统控制方法,机器人在自平衡和轨迹跟踪时,动态品质更优,且无异常抖动,具有良好的应用前景。

基于高增益观测器的半潜式海洋钻井平台动力定位系统鲁棒滑模控制器设计研究

半潜式海洋平台动力定位系统中,针对海洋复杂的工作环境,为实现精准动力定位,控制器的设计是关键。传统的控制器设计大部分基于位置和速度均可测量这一假设,但在实际工程中,由于干扰和复杂工况的影响,速度信号难以被实时测量或精确测量。选用高增益观测器对速度信号进行状态估计,基于测量直接得到的海洋平台位置信号和状态估计间接得到的速度信号,利用滑模控制自身的强鲁棒和抗干扰特性,进行滑模控制器设计,并运用Lyapunov方法分析了系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明,所设计控制器,能够实现半潜式海洋平台精准的动力定位和轨迹追踪控制。

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。

面向永磁同步电机无传感器控制的二阶改进扩展状态观测器

针对传统扩展状态观测器(extended states observer,ESO)为保证收敛性和提升系统动态性能而增大矫正项增益,进而加剧对于高频噪声敏感性的问题,提出了一种面向永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)无位置传感器控制的改进扩展状态观测器(improved ESO,IESO)。结合PMSM扩展反电动势全阶模型,将扩展反电动势作为ESO扩展的状态;通过将低阶动态方程的输出作为高阶动态方程的输入的方法设计IESO,从而有效降低矫正项增益,进而减小系统对高频噪声的敏感性;在矫正项中引入饱和函数以限制高增益观测器可能引入的峰值效应,并进行了收敛性分析。数值仿真结果表明:相较于传统线性ESO,采用IESO后,PMSM无传感器控制系统在电机启动、调速及突加负载时动态性能均有提升,误差最大值减小,同时收敛速度加快约25%;在测量电流加入0.5 A随机高频噪声后,传统方法收敛时间增加了约25%,转速误差最大值增大了约40%,而IESO并没有显著增加,同时相较于传统方法,IESO的角度误差高频噪声减小了约60%,因而IESO能够显著抑制系统高频噪声。

永磁同步电机高增益速度观测器设计与仿真研究

基于永磁转子同步旋转坐标系的全阶非线性模型是应用状态观测器方法获取位置及速度信息的重要方程,以往应用这一非线性模型缺乏必要的全局能观性分析,在此基于同胚映射理论分析了此类系统的全局不可观测性,而其降阶电流-速度子系统却是全局可观测的。对通过获取转子高精度速度信息基础上通过一步积分得到位置信息的虚拟传感器设计思路给出了严格理论上的解释。利用非线性系统高增益观测器技术构造了带有增益自适应调节率的降阶子系统的速度观测器,仿真结果表明该观测器具有优异的速度跟踪特性,暂态过程观测偏差可以控制在相对小的范围内。

基于高增益滑模观测器的非线性系统执行器鲁棒故障检测

针对一类含有未知干扰的不确定仿射非线性系统,讨论了一种基于高增益滑模观测器的执行器鲁棒检测方法。首先采用全局微分同胚变换,将非线性系统变换为一完全能观规范型;然后基于变换后含有Lipschitz项的非线性系统,设计了高增益滑模观测器,给出了观测器增益计算方法,并运用Lyapunov稳定性理论证明了观测器状态偏差的收敛条件,设计了滑模控制项来抑制干扰,并求解证明了滑模运动的收敛条件,以使设计的观测器具有鲁棒性;最后,对某三阶非线性电机模型进行仿真研究,验证了所提方法的有效性。