An extended state observer with adjustable bandwidth for measurement noise

In this paper,a bandwidth-adjustable extended state observer(ABESO)is proposed for the systems with measurement noise.It is known that increasing the bandwidth of the observer improves the tracking speed but tolerates noise,which conflicts with observation accuracy.Therefore,we introduce a bandwidth scaling factor such that ABESO is formulated to a 2-degree-of-freedom system.The observer gain is determined and the bandwidth scaling factor adjusts the bandwidth according to the tracking error.When the tracking error decreases,the bandwidth decreases to suppress the noise,otherwise the bandwidth does not change.It is proven that the error dynamics are bounded and converge in finite time.The relationship between the upper bound of the estimation error and the scaling factor is given.When the scaling factor is less than 1,the ABESO has higher estimation accuracy than the linear extended state observer(LESO).Simulations of an uncertain nonlinear system with compound disturbances show that the proposed ABESO can successfully estimate the total disturbance in noisy environments.The mean error of total disturbance of ABESO is 15.28% lower than that of LESO.

Differential geometric guidance command with finite time convergence using extended state observer

For improving the performance of differential geometric guidance command(DGGC), a new formation of this guidance law is proposed, which can guarantee the finite time convergence(FTC) of the line of sight(LOS) rate to zero or its neighborhood against maneuvering targets in three-dimensional(3D) space. The extended state observer(ESO) is employed to estimate the target acceleration, which makes the new DGGC more applicable to practical interception scenarios. Finally, the effectiveness of this newly proposed guidance command is demonstrated by the numerical simulation results.

Extended state observer based smooth switching control for tilt-rotor aircraft

A tilt-rotor aircraft has three flight modes: helicopter mode, airplane mode and conversion mode. Unlike the traditional aircraft, the tilt-rotor aircraft, which combines the characteristics of helicopters and fixed-wing aircraft, is a complex multi-body system with the violent variation of the aerodynamic parameters. For these characteristics, a new smooth switching control scheme is provided for the tilt-rotor aircraft. First, the reference commands for airspeed and nacelle angles are calculated by analyzing the conversion corridor and the conversion path. Subsequently, based on the finite-time switching theorem, an average dwell time condition is designed to guarantee the stability in the switching process. Besides, considering the state vibrations and bumps may appear in switching points, the fuzzy weighted logic is employed to improve the system transient performance. For disturbance rejection, three extended state observers are designed separately to estimate the disturbances in the switched systems. Compared with the traditional auto disturbance rejection control and proportion integration differentiation control, this method overcomes the conservatism of wasting the whole model information. The control performances of robustness and smoothness are verified with simulation, which shows that the new smooth switching control scheme is more targeted and superior than the traditional design method.

基于ESO的仿蝙蝠扑翼飞行器姿态控制仿真

针对仿蝙蝠扑翼飞行器的纵向气动特性不稳定、易受扰动的问题,设计了一种基于扩张状态观测器(ESO)的姿态控制方法,实现了扑翼飞行器姿态的稳定与抗干扰控制。首先建立仿蝙蝠扑翼飞行器的动力学模型;进而在该模型基础上分析了扑翼飞行器的纵向稳定性;然后将系统的不确定部分与各种未知的外界扰动作为系统的总扰动,引入ESO模块对总扰动进行实时观测与跟踪;最后在原有的PID控制器中加入扰动补偿环节。数值仿真结果表明,基于ESO的控制算法对于仿蝙蝠扑翼飞行器的控制效果显著优于基于PID的控制方法,阶跃响应的调节时间加快41.27%,对系统输入的白噪声干扰波动峰值从6.02%降低到2.82%,正弦扰动的波动峰值从11.56%降低到3.22%。

基于MPC和ESO-DO的四旋翼轨迹跟踪控制

针对扰动作用和模型不确定性下四旋翼无人机精确轨迹跟踪控制问题,提出了一种主动干扰抑制和模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)策略。模型预测控制器通过扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)和扰动观测器(Disturbance Observer, DO)来估计和补偿干扰,从而实现位置环精确控制。在存在外部干扰和参数不确定性的情况下,通过仿真实验,证明了所提出的方法提高了对建模误差和干扰的鲁棒性,同时实现了对参考轨迹的平滑跟踪。

Civil aircraft fault tolerant attitude tracking based on extended state observers and nonlinear dynamic inversion

For the problem of sensor faults and actuator faults in aircraft attitude control,this paper proposes a fault tolerant control(FTC)scheme based on extended state observer(ESO)and nonlinear dynamic inversion(NDI).First,two ESOs are designed to estimate sensor faults and actuator faults respectively.Second,the angular rate signal is reconstructed according to the estimation of sensor faults.Third,in angular rate loop,NDI is designed based on reconstruction of angular rate signals and estimation of actuator faults.The FTC scheme proposed in this paper is testified through numerical simulations.The results show that it is feasible and has good fault tolerant ability.

基于FxTSMC-ESO的永磁同步电机调速系统滑模控制

针对永磁同步电机速度环中存在的外部负载扰动问题,为了提高速度环控制系统的动态性和鲁棒性,提出一种基于新型固定时间滑模控制器与扩张状态观测器的控制方法。所提出的滑模控制器简化了收敛时间公式,解决了快速响应与抑制抖振的矛盾。为了进一步提升调速系统的鲁棒性,采用固定时间收敛的扩张状态观测器对控制器的扰动进行前馈补偿,该观测器不仅可以减小趋近律的开关函数增益,还能实现扰动的精准观测。仿真验证了所提滑模控制方法的有效性。

基于ESO的分拣并联机器人无标定视觉伺服自适应滑模控制

针对无标定分拣并联机器人需获取精确图像雅可比矩阵的问题,同时为克服图像检测误差、建模误差及外部干扰对无标定视觉伺服系统的影响,提出一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的分拣并联机器人无标定视觉伺服自适应滑模控制方法。通过将表征机器人图像空间与任务空间映射关系的图像雅可比矩阵与系统不确定项集总到同一通道的状态方程,引入ESO对分拣并联机器人视觉伺服系统的集总不确定性进行在线估计,设计一种基于扩张状态观测器的自适应积分滑模控制器,并通过设计自适应律动态调整滑模控制切换增益,以提高视觉伺服系统精度,同时达到抑制滑模控制抖振的效果。采用Lyapunov稳定性理论证明该控制方法的稳定性,最后通过仿真实验验证了所提出视觉伺服自适应滑模控制方法的可行性和有效性。

基于ESO的气流引纬滑模分数阶反步控制

针对气流引纬纱线在飞行过程中存在不确定时变因素和未建模问题,提出了一种基于有限时间扩张状态观测器的神经积分滑模分数阶反步控制器。通过对纬纱在气流引纬过程的动力学分析,得到系统的状态方程,引入有限时间扩张状态观测器,对复合扰动问题进行有效估计降低跟踪误差,设计非线性积分滑模面,采用RBF神经网络对滑模面系数进行补偿修正,并融合到反步控制中保证了算法有限时间收敛和稳定性,在虚拟控制律中加入了分数阶理论,进一步提升了系统的稳定性和抗干扰能力。最后,为了使得引纬完成的时间更接近设定值,在筘幅中间额外增加了4个探纬器,并对纱线的运动状态做出调整。研究设计的控制器和改善的引纬结构使得引纬完成的时间更接近设定值,研究验证了所设计方案的有效性。

基于ESO的双馈风力发电机模型预测直接功率控制

针对双馈风力发电机(DFIG)运行过程中因电机参数摄动以及电网电压突变等不确定因素对控制系统的影响,提出一种扩张状态观测器(ESO)与模型预测直接功率控制(MPDPC)相结合的控制策略。首先分析了传统MPDPC中存在的系统耦合项、模型误差及外部扰动等对控制系统的影响,为了减小此影响,应用ESO进行相关参数估计。在此基础上,结合模型预测控制理论建立了功率预测数学模型。在不同工况下进行了仿真实验并和传统MPDPC进行比较,结果表明所提控制策略具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。

基于连续可导ESO的虚拟同步机控制策略

在高比例新能源接入的电网中,虚拟同步机技术被广泛应用,但当面对系统扰动时其稳定性较差,可能会存在电压过限、频率波动等问题。因此,为了提高电能质量,将扩张状态观测器引入虚拟同步机控制技术中,对扰动进行观测、估计与补偿,提高系统稳定性,从而在新能源电源波动及大功率负荷投切时得到更稳定的母线电压及系统频率。此外,进一步对扩张状态观测器中的分段函数fal进行矫正,提出一种连续可导的扩张状态观测器控制算法,免去运算过程中的判断环节,突出了“小误差大增益”的特点,并对算法进行稳定性分析和确定参数选择范围。仿真与实验结果验证了所提策略的有效性与可行性。

Solid Rocket Booster Thrust Asynchrony Identification Method for Solid Rocket Bundled Rockets With ESO

The role of the rocket attitude control system is to execute the required maneuvers for guidance and ensure the stability of the rocket's flight attitude. Attitude control technology has always been one of the key technologies for ensuring the success of rocket flights and has been a core topic in carrier rocket technology research. The Gravity-1 solid carrier rocket is the first solid rocket bundled rocket developed by China, adopting a configuration with four boosters and a core stage bundled together. During the actual flight process, the four booster engines are ignited first, and then, in the event of insufficient control force from the boosters, the core stage engine is ignited to participate in control. To address thrust asynchrony during the descent of the four boosters, an Extended State Observer(ESO) is employed in the control scheme for this flight segment. This involves real-time estimation and compensation of attitude parameters during flight, identification of thrust asynchrony among the boosters, and simultaneous determination of whether the core stage engine is ignited to participate in control.Through six degrees of freedom simulation analysis and Y1 flight test validation, this method has been proven to be correct and feasible.

基于ESO的机械臂非奇异终端滑模控制

为解决机械臂在系统参数不确定与外部扰动影响下的轨迹跟踪问题,基于改进型扩张状态观测器,结合滑模控制理论,设计了一种改进型扩张状态观测器与非奇异终端滑模相结合的控制方法。首先,对机械臂模型设计非奇异终端滑模控制器以提高控制精度;然后对系统中的总扰动设计改进型扩张状态观测器,将观测器结果引入控制器中达到扰动补偿作用,并通过Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的稳定性;最后,通过仿真对比验证本文控制方法的优越性。

基于ESO的欠驱动四旋翼飞行器轨迹鲁棒控制

针对欠驱动四旋翼无人飞行器的系统特性,为解决传统四旋翼飞行控制方法中存在的弱点,如系统状态变量间相互有较大耦合、控制效果易受建模误差的影响及抵御外界干扰能力较弱等弱点,设计一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的轨迹跟踪算法,由ESO实现对系统复合干扰的估计,并在控制律中对复合干扰进行实时补偿。由于ESO只需要测量系统输出即可实现对复合干扰的精确估计,因此在实际系统中易于实现,为验证所提算法,进行两种不同情况下的仿真研究,分别为矩形轨迹跟踪和圆形轨迹跟踪,仿真结果验证了所提算法的可行性。

基于ESO与终端滑模控制的直流配电网母线电压控制

针对直流配电网中母线电压控制问题,在双向AC/DC变换器传统双闭环控制器的基础上,设计一种基于扩张状态观测器（extended state observer,ESO）和终端滑模的非线性鲁棒电流前馈控制器,在不需要增加额外电压/电流传感器的情况下实现对系统内扰动的快速跟踪,有利于直流配电网中分布式电源与负荷的扩展和即插即用。传统电流前馈控制需要多个电流传感器采集负载电流信息,利用ESO与终端滑模控制理论将电流前馈控制系统转变为以直流母线电压为输入信号的非线性鲁棒电流前馈控制器,有效避免额外传感器的加入,减少装置费用,并且ESO可对系统各状态以及系统模型的不确定性和外部扰动进行实时跟踪,实现对系统中母线电压波动的快速抑制。软件数值仿真结果表明,该控制器表现出良好的控制效果和鲁棒性,对于直流母线电压波动具有很好的稳定效果。

基于ESO的LQR控制器在无人机姿态控制中的研究

由于复杂环境下不确定扰动及模型参数变化等因素的存在,传统线性二次调节控制器(LQR)可能导致控制对象的不稳定,提出了基于扩张状态观测器(ESO)的LQR控制策略,旨在保证控制对象在复杂环境下工作的可靠性。以四旋翼无人机Qball-X4为研究对象构建其非线性动力学模型。利用ESO能够实时估计并补偿内扰和外扰的能力改进LQR姿态控制器。通过Matlab/Simulink仿真和四旋翼无人机Qball-X4实际飞行测试验证了该算法的有效性。

采用ESO补偿的再入飞行器姿态预测控制方法

针对飞行器再入姿态运动设计了一种基于扩张状态观测器(extended states observer,ESO)的预测控制方法。为了降低系统的阶数,将姿态系统分成姿态角子系统和姿态角速率子系统,分别设计控制器。采用动态逆方法将运动方程线性化,并基于此推导了解析的最优预测控制律。为了提高控制器的精度和鲁棒性,采用ESO对模型误差和不确定扰动进行估计,并在预测控制律中进行补偿。最后证明了算法的稳定性。通过六自由度仿真分析,验证了控制方法的良好性能。

基于ZPET-FF和ESO的直线伺服鲁棒跟踪控制

提出一种将零相位误差跟踪和前馈(ZPET-FF)与扩张状态观测器(ESO)相结合的重复控制方法,以提高宏动台直线电机伺服系统的跟踪性能.以ZPET-FF作为前馈跟踪控制器,将信号估计器估计的跟踪误差和系统的实时误差作为其输入信号,将控制器对系统的跟踪误差进行实时补偿,以降低参数变化对系统的影响,有效提高系统的带宽和跟踪性能,减小系统的动态跟踪误差;采用ESO补偿系统中的各种扰动抑制噪声,以提高系统的抗干扰能力.实验结果表明,所提出的控制方法不仅提高了系统的动态跟踪性能,而且减小了系统的跟踪误差.

基于ESO的改进型滑模控制在转台中的应用

针对较强的摩擦、参数摄动及其他非线性干扰等不确定性因素严重影响飞行仿真转台伺服系统运动性能的问题,本文提出一种基于扩张状态观测器(ESO)和改进型滑模(NSMC)的复合控制策略。首先将上述所有扰动视为复合干扰,设计ESO对其进行实时估计和补偿,实现对原非线性控制系统的线性化动态补偿;然后针对转台系统快速、稳定、高精度等控制要求,采用具有强鲁棒性的滑模控制,在传统趋近率基础上设计改进型趋近率来提高收敛速度并抑制抖振。仿真结果表明,该控制方案能显著提高系统的动态跟踪性能并增强系统鲁棒性,具有可行性。

基于ESO的动态解耦方法及其应用仿真

针对多变量系统控制中的耦合问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的动态解耦方法。该方法将系统输入变量间的耦合作用、被控对象参数时变和外界干扰视为一个总的扰动,用ESO估计该总扰动并反馈到控制器进行补偿,从而实现动态解耦;对解耦后的每个子系统,分别设计出了基于误差最小二乘指标的神经元自适应PID(NAPID)控制器。该方法简化了解耦过程,放松了对系统模型的要求,计算量小、鲁棒性强。最后用该法对蒸馏塔进行控制仿真,仿真时使用混沌优化方法对ESO的参数进行了离线优化,并给出了与模糊PID解耦控制方法对比的仿真结果,结果证明本方法是可行的。