基于高阶观测器和干扰补偿控制的模型预测控制方法

针对状态不可测、外部干扰未知,并且状态和输入受限的离散时间线性系统,将高阶观测器、干扰补偿控制与标准模型预测控制(Model predictive control,MPC)相结合,提出了一种新的MPC方法.首先利用高阶观测器同步观测未知状态和干扰,使得观测误差一致有界收敛;然后基于该干扰估计值设计新的干扰补偿控制方法,并将该方法与基于状态估计的标准MPC相结合,实现上述系统的优化控制.所提出的MPC方法克服了利用现有MPC方法求解具有外部干扰和状态约束的优化控制问题时存在无可行解的局限,能够保证系统状态在每一时刻都满足约束条件,并且使系统的输出响应接近采用标准MPC方法控制线性标称系统时得到的输出响应.最后,将所提控制方法应用到船舶航向控制系统中,仿真结果表明了所提方法的有效性和优越性.

基于扩展高阶滑模扰动观测器的PMSM终端滑模控制

针对永磁同步电机采用传统滑模控制存在转速误差收敛速度慢以及抖振严重的问题,提出了一种基于扩展高阶滑模扰动观测器的PMSM终端滑模控制。首先,设计了一种自适应趋近律与积分终端滑模,二者结合设计出自适应积分终端滑模速度控制器,提高了系统误差全局收敛速度并削弱抖振。其次,为提高观测器观测精度与动态响应速度,设计了一种扩展高阶滑模扰动观测器以实现控制器的外部扰动补偿。最后,通过仿真结果对比,来证实本文所提方法有效抑制了系统抖振,提高了系统误差收敛速度和鲁棒性。

基于高阶滑模观测器的永磁同步电机控制系统研究

针对无感永磁同步电机控制系统,为估计电机的角速度,基于最大转矩电流比控制方法,提出一种高阶滑模观测器的无感控制策略。该策略充分利用了高阶滑模观测器不需要低通滤波器的优势,在两相静止坐标系下,使用电流方程和扩展电动势设计观测器,根据Lyapunov稳定性理论验证观测器的收敛性。所设计的方法能够精确跟踪转子的位置,避免锁相环提取转子位置带来的相位延迟问题,通过重新构建旋转坐标系,得到电流方程,在此基础上,实现对电机角速度的精确估计。MATLAB仿真中,使用所设计的高阶滑膜观测器,电机系统在启动阶段,转速出现一定程度的超调,这是由于三相电流尚未稳定,观测器估计的转速与d轴电流有关所造成的。在转速突变时,高阶滑模观测器能在较短的时间内使速度调整至目标转速,并且估计的转速具有较小的超调量,因此,所设计的高阶滑模观测器在转速突变时具有鲁棒性。仿真证明了无感控制策略估计的电机角速度与转子位置有较小的误差,所设计高阶滑模观测器地能有效地实现控制目标,为永磁同步电机无感控制提供了一种可行的方案。

基于扩张状态模型高阶滑模观测器的SPMSM无传感器控制

针对滑模观测器(SMO)在表贴式永磁同步电机(SPMSM)无传感器控制中存在固有抖振和不能有限时间收敛的问题,提出了高阶超螺旋非奇异快速终端滑模观测器(HOSTNFTSMO)。基于PMSM扩张状态模型提出了一种高阶超螺旋观测器(HOSTO)来实现抖振抑制。针对终端滑模面存在微分项会引入噪声的问题,设计了一个新的非奇异快速终端滑模面(NFTSMS),以实现状态变量的有限时间收敛。仿真结果表明,与传统SMO相比,研究的HOSTNFTSMO可以在不牺牲SMO鲁棒性的情况下获得较高的转子位置估计精度。

滑模观测器耦合模糊补偿器的机械手控制研究

机械手具有结构化和非结构化的不确定性因素,这些不确定性因素导致机械手的性能降低。针对机械手的输出反馈跟踪控制问题,这里采用基于高阶滑模观测器和模糊补偿器的控制器实现机械手的有效控制。建立了机械手简化模型,构造了其运动学和动力学方程。引入了传统计算扭矩控制器,在此基础上用高阶滑模观测器从位置测量值重建速度和不确定性,用模糊补偿器补偿不确定性补偿误差,得到基于高阶滑模观测器和模糊补偿器的控制器。采用数学软件MATLAB对机械手系统进行仿真。同时,与传统计算扭矩控制器的计算结果进行对比和分析。仿真结果显示,采用基于高阶滑模观测器和模糊补偿器控制器的机械手的关节跟踪误差以及末端位置误差波动幅度减少50%左右,收敛速度更快,同时跟踪精度也提高了。采用基于高阶滑模观测器和模糊补偿器的控制器可以提高机械手的跟踪性能。

光电稳定平台中高阶扰动观测器的应用

由于光电稳定平台在稳定视轴时易受到摩擦、风阻、不平衡以及载体扰动等干扰力矩的影响,本文研究了利用高阶扰动观测器抑制扰动力矩的机理和方法。该扰动观测器由控制对象的逆模型和进行了高阶设计的改进型滤波器组成。提出的方法将观测量作为电流环的输入,利用电流环超高的控制带宽抑制扰动力矩。对系统的扰动抑制能力进行了仿真,结果显示高阶扰动观测器对高阶扰动模型具有很好的抑制能力:对于阶跃扰动和斜坡扰动,三阶扰动观测器的抑制率为100%;对于抛物波扰动,三阶扰动观测器的抑制率为99.9999996%。另外,观测器对于控制对象模型的摄动具有很好的鲁棒性。提出的方法可以在提高伺服系统响应速度的同时保证系统的鲁棒性,满足光电稳定平台的应用要求。

设计高阶PI观测器对线性系统故障作鲁棒检测

针对具有干扰的线性定常系统,研究了基于高阶PI观测器的鲁棒故障检测设计问题.基于Sylveste矩阵方程的参数化解,给出了干扰与残差解耦的充要条件,并提出了基于高阶PI观测器的线性系统鲁棒故障检测参数化设计方法.数值算例及仿真分析表明所提鲁棒故障检测参数化设计方法是有效的.

基于高阶PI观测器的不确定线性系统鲁棒故障检测设计

针对一类受干扰影响的不确定线性系统,研究了基于高阶比例积分(proportional integral,PI)观测器的鲁棒故障检测设计问题。通过对一类Sylvester矩阵方程的参数化解,将基于高阶PI观测器的鲁棒故障检测问题转化为具有多约束的优化问题。基于该优化问题的解,给出了具有鲁棒故障检测功能的高阶PI观测器存在的充要条件,并给出受干扰影响的不确定线性系统的鲁棒故障检测设计方法。最后,数值算例及仿真分析结果验证了所提方法的有效性。

基于高阶干扰观测器的水下滑翔机迭代学习控制

水下滑翔机可作为移动平台搭载声学多普勒海流计AD2CP进行长航程大范围多尺度海流观测,其高精度的俯仰角控制是海流观测数据准确性的重要保证。模型的不确定性和复杂扰动为水下滑翔机精准俯仰角控制带来了困难。对此,提出一种结合干扰观测器和模型迭代学习律的二元通道控制方案。基于拉格朗日动力学原理建立了水下滑翔机可量测的标称模型,并将异于标称模型的信息(模型参数变化、不可量测模型信息、环境扰动等)视为“总扰动”。利用标称模型设计了模型迭代学习律,抑制滑翔机剖面轨迹运动相关周期性扰动。对于不可建模的非轨迹周期相关复杂干扰,设计了高阶干扰观测器进行高精度估计,并通过选择适当的补偿增益进行扰动前馈补偿。理论分析证明了所设计的模型迭代学习律和高阶干扰观测器的稳定性,仿真实验验证了该算法的有效性。

离散线性系统高阶积分观测器设计

针对离散线性系统提出一类高阶积分观测器,并且显示这类观测器满足极点配置分离原理,同时给出了这类观测器的存在条件.基于Sylvester矩阵方程的显式参数化通解提出了这类观测器的参数化设计方法.该方法不仅给出了观测器增益矩阵的参数表达式,而且还提供了观测器系统矩阵左特征向量的参数表达式.该设计方法给出了所有的设计自由度,为实现系统的其他性能提供了方便且强有力的工具.数值例子说明了设计过程,并表明了该方法的有效性.

基于高阶滑模观测器的PMSM容错控制

针对电动汽车安全行驶问题,提出了一种基于高阶滑模观测器的电动汽车用永磁同步电机(PMSM)故障容错控制策略。基于PMSM模型,设计了一种高阶滑模观测器,并对观测器的有限时间收敛性进行了证明。然后基于转速传感器故障模型、高阶滑模观测器和重构策略设计了PMSM驱动系统的故障容错控制器。最后,基于小功率PMSM驱动系统试验平台开展了相关试验,试验结果验证了新型控制策略的有效性。

基于准连续高阶滑模观测器的机械臂执行器故障重构

针对传统滑模观测器在执行器故障重构中出现的精度低、抖振大及渐进收敛等问题,将准连续高阶滑模控制思想应用于滑模观测器的设计中,提出了机械臂执行器故障重构方法。利用RBF神经网络逼近建模不确定部分和未知干扰部分,构建准连续高阶滑模观测器保证状态估计误差有界稳定,采用等效输出误差注入方法,在有限时间内完成对执行器故障的重构。选取双关节机械臂进行仿真验证,结果表明,准连续高阶滑模观测器能够使滑模运动在有限时间内到达滑模面,使状态估计误差和输出估计误差分别稳定在0.002 rad和0.004 rad/s范围内,进而重构执行器故障,执行器1和2的故障重构误差分别小于0.05 rad和0.02 rad,同时有效消除了抖振,提高了机械臂在实际应用中的精度和安全性。

基于高阶滑模观测器的永磁同步电机无差拍预测电流控制

为了提高永磁同步电机速度和电流跟踪精度等控制性能,本文提出了一种基于高阶滑模观测器的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法.首先,将参数变化和外部负载变化视为集总扰动,建立内置式永磁同步电机的数学模型.然后,构造了两个三阶超螺旋滑模观测器来分别估计速度和电流回路中的集总扰动,并将估计出的扰动前馈到对应的控制器中进行补偿,以提高系统的鲁棒性和跟踪精度.此外,转速环采用了一种改进的滑模趋近律,以降低控制信号中的抖振和缩短系统状态到达滑模面所需的时间.最后,将所设计的方法在内置式永磁同步电机实验平台进行验证,并与传统的无差拍预测电流控制和指数趋近律滑模速度控制器进行了对比,实验结果表明了算法的有效性和优越性.

基于高阶滑模观测器的风机改进反演滑模控制

针对风电机组风速波动幅度大、发电机转矩抖振大、功率无法平滑输出等问题,同时考虑风电机组中部分状态参数难以准确测量的问题,设计一种基于高阶滑模观测器的改进反演滑模控制策略。通过在反演设计中引进积分项来实现系统的有效控制和全局调节。采用高阶滑模观测器来实现时估计系统的状态,避免了直接测量会引入高频噪声的问题,使系统在外界扰动干扰的情况下具有较强的鲁棒性。为了验证算法的优越性在MATLAB中进行控制器仿真实验。最后通过仿真证明了所提方法的正确性,可行性。

基于高阶滑模观测器的微分滑模四旋翼无人机控制研究

针对四旋翼无人机鲁棒控制问题,提出了一种基于高阶滑模观测器的内环与外环控制器设计方法。首先,建立了四旋翼无人机模型的运动学与动力学方程,通过反馈线性技术将模型分解为线性部分与非线性部分。然后,在输入信号延迟的基础上推导了相应的滑模控制律,由分离定理分别设计了观测器与控制器,通过扰动识别减少需要观测的状态变量,继而减少了测量传感器,同时对观测器以及整个闭环系统稳定性进行了证明。仿真验证了所提出的控制算法在提高四旋翼无人机姿态控制系统精度以及鲁棒性方面的有效性。

基于高阶未知输入观测器的滑模控制

针对一类具有不匹配时变扰动的非线性系统,进行了滑模控制的研究.首先,在状态和扰动已知的假设下设计一种新的滑模控制,用以抵消不匹配时变扰动的影响.其次,提出了可以直接抑制扰动影响的高阶未知输入观测器,以估计系统状态、扰动及其各阶导数.最后,构造了基于高阶未知输入观测器的新型滑模控制器,并通过模拟实例来验证所提出的方法的有效性.

基于高阶干扰观测器的极点配置控制器及应用

本文设计了一种可以对外部干扰进行估计的高阶干扰观测器,并针对一类具有外部干扰的单输入单输出离散时间线性系统,提出了一种基于高阶干扰观测器的极点配置控制方法.该方法由常规极点配置控制器和高阶干扰观测器组成.常规极点配置控制器用来保证闭环系统稳定,并将闭环系统的极点配置到理想位置,高阶干扰观测器用来补偿外部干扰对闭环系统的影响.理论分析以及仿真和水箱液位系统中的实验结果表明了所提方法的有效性和优越性.

基于高阶干扰观测器的自适应模糊滑模控制

针对常规非线性干扰观测器估计误差大、只对慢干扰有效等缺点,用一种新型高阶非线性干扰观测器估计干扰和不确定性,通过选择一组合适参数,有效提高估计精度,并扩大其适用范围。基于干扰估计设计滑模控制器,考虑系统状态在滑模控制到达阶段鲁棒性不足,故引入自适应模糊算法,进一步提高系统抗干扰能力。采用倒立摆进行MATLAB仿真表明,该方法能精确估计外界干扰,控制器输出抖振减小,系统跟随性能提高。

基于反电动势滑模观测器的异步电机矢量控制

为提高异步电机无速度传感器控制参数鲁棒性,同时减小滑模抖振,研究了一种基于反电动势高阶滑模观测器的异步电机速度观测和矢量定向方案。在对异步电机数学模型变换的基础上,通过非奇异终端滑模观测器的设计,实现了对反电动势的准确观测。据此设计了转速适应率,实现了转速观测,并由反电动势和转子磁链之间的故有相位关系,实现了转子磁场的直接定向。该方案的突出优势在于其较强的参数鲁棒性:一方面,其矢量定向的准确性不受转子电阻这一易变参数的影响;另一方面,转子电阻的变化对速度观测精确度的影响较小。同时高阶滑模观测器的设计有效地抑制了滑模抖振,提高了观测精确度。仿真结果验证了该方案的有效性,展示了其较强的参数鲁棒性。

适用于PEMFC系统过氧化估计的HOSM观测器研究

针对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的强非线性及强耦合特性,该文提出一种适用于PEMFC系统过氧比(oxygen excess ratio,OER)估计的高阶滑模(high order sliding mode,HOSM)观测器设计方法。该方法采用HOSM算法对输出误差进行调节,使其在有限时间内趋于零,进而通过准确估计PEMFC系统中难于利用传感器直接测量的变量(如,供应管道中空气质量、阴极侧氧气以及氮气质量等),求解系统OER,为空气闭环系统的精确控制和动态性能的提高奠定了基础。最后,在RT-LAB半实物平台上进行硬件在环的实验验证,对所提出的HOSM观测器与传统的滑模观测器进行对比实验。实验结果表明,所设计的HOSM观测器性能优于传统的滑模观测器,在存在模型参数不确定性和测量噪声的条件下,仍具有快速的收敛特性,且表现出了良好的鲁棒性。