Disturbance observer-based fuzzy fault-tolerant control for high-speed trains with multiple disturbances

The fault-tolerant control problem is investigated for high-speed trains with actuator faults and multiple disturbances.Based on the novel train model resulting from the Takagi–Sugeno fuzzy theory, a sliding-mode fault-tolerant control strategy is proposed. The norm bounded disturbances which are composed of interactive forces among adjacent carriages and basis running resistances are rearranged by the fuzzy linearity technique. The modeled disturbances described as an exogenous system are compensated for by a disturbance observer. Moreover, a sliding mode surface is constructed, which can transform the stabilization problem of position and velocity into the stabilization problem of position errors and velocity errors, i.e., the tracking problem of position and velocity. Based on the parallel distributed compensation method and the disturbance observer, the fault-tolerant controller is solved. The Lyapunov theory is used to prove the stability of the closed-loop system. The feasibility and effectiveness of the proposed fault-tolerant control strategy are illustrated by simulation results.

Active suspension control of a one-wheel car model using single input rule modules fuzzy reasoning and a disturbance observer

This paper presents the construction of an active suspension control of a one-wheel car model using fuzzy reasoning and a disturbance observer. The one-wheel car model to be treated here can be approximately described as a nonlinear two degrees of freedom system subject to excitation from a road profile. The active control is designed as the fuzzy control inferred by using single input rule modules fuzzy reasoning, and the active control force is released by actuating a pneumatic actuator. The excitation from the road profile is estimated by using a disturbance observer, and the estimate is denoted as one of the variables in the precondition part of the fuzzy control rules. A compensator is inserted to counter the performance degradation due to the delay of the pneumatic actuator. The experimental result indicates that the proposed active suspension system improves much the vibration suppression of the car model. Key words One-wheel car model - Active suspension system - Single input rule modules fuzzy reasoning - Pneumatic actuator - Disturbance observer Document code A CLC number TH16

Pneumatic active suspension system for a one-wheel car model using fuzzy reasoning and a disturbance observer

This paper presents the construction of a pneumatic active suspension system for a one-wheel car model using fuzzy reasoning and a disturbance observer. The one-wheel car model can be approximately described as a nonlinear two degrees of freedom system subject to excitation from a road profile. The active control is composed of fuzzy and disturbance controls, and the active control force is constructed by actuating a pneumatic actuator. A phase lead-lag compensator is inserted to counter the performance degradation due to the delay of the pneumatic actuator. The experimental result indicates that the proposed active suspension improves much the vibration suppression of the car model.

Fuzzy Sliding Mode Active Disturbance Rejection Control of an Autonomous Underwater Vehicle-Manipulator System

In this paper, a fuzzy sliding mode active disturbance rejection control(FSMADRC) scheme is proposed for an autonomous underwater vehicle-manipulator system(AUVMS) with a two-link and three-joint manipulator. First, the AUVMS is separated into nine subsystems, and the combined effects of dynamic uncertainties, hydrodynamic force, unknown disturbances, and nonlinear coupling terms on each subsystem are lumped into a single total disturbance. Next, a linear extended state observer(LESO) is presented to estimate the total disturbance. Then, a sliding mode active disturbance rejection control(SMADRC) scheme is proposed to enhance the robustness of the control system. The stability of the SMADRC and the estimation errors of the LESO are analyzed. Because it is difficult to simultaneously adjust several parameters for a LESO-based SMADRC scheme, a fuzzy logic control(FLC) scheme is used to formulate the FSMADRC to determine the appropriate parameters adaptively for practical applications. Finally, two AUVMS tasks are illustrated to test the trajectory tracking performance of the closed-loop system and its ability to reject and attenuate the total disturbance. The simulation results show that the proposed FSMADRC scheme achieves better performance and consume less energy than conventional PID and FLC techniques.

考虑复杂扰动的轻型商用车路径跟踪混合控制方法

外界扰动、模型不确定性和参数摄动等复杂扰动直接影响智能车辆路径跟踪控制的精度和行驶安全性。商用车的载重特性使其在行驶过程中受到的复杂扰动更为明显,为提升自动驾驶商用车路径跟踪精度和平顺性,提出一种路径跟踪混合控制方法。首先,建立鲁棒性强的基于扩张观测器的滑模控制器和变化平稳的增量式LQR控制器,其中增量式LQR的参数使用粒子群算法整定。然后,使用模糊控制器将两者相结合,根据车速和横向误差调整权重系数,在提升系统鲁棒性的同时削弱抖振。最后,进行了仿真分析和实车试验。试验数据表明,SMC+LQR具备较好的控制效果,能应对外界的复杂扰动。

风扰下变质量四旋翼轨迹跟踪控制

针对存在风扰和变质量负载扰动的四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于降阶广义比例积分观测器的动态面模糊滑模控制方法。首先,建立含风扰和变质量负载扰动的四旋翼无人机系统模型;其次,结合四旋翼无人机系统模型设计降阶广义比例积分观测器估计外界风扰;再次,设计动态面滑模控制器,并采用模糊控制模糊化切换增益,以此有效地抑制抖振;然后,通过Lyapunov稳定性证明四旋翼无人机系统的稳定性;最后,通过Matlab-Simulink进行3种控制方法的仿真比较。仿真结果表明,当存在风扰和变质量负载扰动时,该控制方法抗风扰能力更强,稳定性更好,位姿跟踪精度更高。

基于扩张状态观测器的伺服加载模糊滑模控制

针对电动伺服加载测试台存在的间隙、摩擦等非线性控制问题,以滑模变结构控制(SMC)为主体进行了加载控制器设计。分析伺服加载测试台整体结构,提出一种基于扩张状态扰动观测器(ESO)的模糊滑模控制(FSMC)策略。该策略在使用ESO针对伺服加载系统的外部干扰进行观测的基础上,设计了模糊控制对滑动模态面和滑模趋近律进行自适应调节,提高了系统的动态实时跟随能力和干扰补偿能力,并减小SMC控制器稳定时的抖振现象。仿真结果表明:所设计的基于扩张状态观测器的模糊滑模控制器(FSMC-ESO)对比传统SMC及PID控制具有更好的快速响应性和鲁棒性。

Fuzzy impedance control of an electro-hydraulic actuator with an extended disturbance observer

In this paper,we deal with both velocity control and force control of a single-rod electro-hydraulic actuator subject to external disturbances and parameter uncertainties.In some implementations,both velocity control and force control are required.Impedance control and an extended disturbance observer are combined to solve this issue.Impedance control is applied to regulate the dynamic relationship between the velocity and output force of the actuator,which can help avoid impact and keep a proper contact force on the environment or workpieces.Parameters of impedance rules are regulated by a fuzzy algorithm.An extended disturbance observer is employed to account for external disturbances and parameter uncertainties to achieve an accurate velocity tracking.A detailed model of load force dynamics is presented for the development of the extended disturbance observer.The stability of the whole system is analyzed.Experimental results demonstrate that the proposed control strategy has not only a high velocity tracking performance,but also a good force adjustment performance,and that it should be widely applied in construction and assembly.

采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略

双柔性机械臂由柔性关节和变长度的柔性负载组成,会同时受到柔性、摩擦和参数时变的影响,在运动过程中,它会出现振动的现象,导致末端执行器的跟踪精度降低。本文采用基于干扰观测器的模糊整定PI策略控制双柔性机械臂伺服系统的输出转速,通过控制柔性负载的转速波动间接抑制机械臂的振动。根据假设模态法和拉格朗日原理建立了考虑变形的双柔性机械臂伺服系统的动力学方程。根据鲁棒稳定性理论设计干扰观测器中的低通滤波器,使干扰观测器同时满足控制器参数时变和受控对象参数摄动的稳定性。通过数值仿真分析和双柔性机械臂伺服系统控制实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,本文提出的控制策略可以更好地消除参数时变和柔性对于输出转速的影响,提高末端执行器的控制精度。

跷跷板系统干扰补偿的分层滑模控制策略研究

为提高跷跷板系统在外部干扰下的平衡控制性能,提出一种基于指数收敛干扰观测器与切换增益模糊自适应分层滑模控制相结合的复合控制策略。首先,设计一种指数收敛干扰观测器,对系统受到的外部扰动等不确定因素进行估计补偿,以改善控制器鲁棒性。该观测器不需要状态变量二阶导的信息,可以应对实际工程中难以通过求导的方式获取加速度信号的问题。然后,针对跷跷板这类强耦合欠驱动系统提出一种分层滑模控制算法,并进一步针对滑模控制算法在未知大干扰下切换增益过大的问题,通过模糊规则的设计将切换增益模糊化,以降低系统抖振。最后,仿真和试验结果表明,相较于传统的滑模控制算法,该分层滑模控制算法抗干扰能力更强、切换增益更低。该策略可应用于类跷跷板平衡控制的实际系统。

基于FDO非线性预测方法的翼伞航迹跟踪控制

在翼伞系统的状态空间模型的基础上,分析了翼伞的归航轨迹,给出翼伞轨迹跟踪控制问题的数学描述。针对翼伞归航飞行过程中,受到较大的外干扰及不确定性影响,提出基于模糊干扰观测器(FDO)的非线性预测控制策略,设计了翼伞归航系统航迹跟踪控制器。通过仿真试验,表明该飞控系统具有良好鲁棒特性和抗干扰特性。

基于扰动观测器的水面无人船自适应模糊控制器设计

为了使水面无人船(USV)获得更好的跟踪性能,本文设计了基于扰动观测器和命令滤波器的自适应模糊控制器.对于该系统存在建模不确定性和外部环境的扰动,采用模糊逻辑系统(FLS)和一个新的扰动观测器对其进行逼近和补偿.在扰动观测器和控制器中加入了一个新的自适应参数,用来改善控制精度.基于此,本文设计了命令滤波反步控制方法,可以保证系统在所有状态下都是有界的,且跟踪误差在有限时间内小于规定的精度.仿真结果显示该方法有效,且可以满足给定的控制精度.

基于观测器的连续搅拌反应釜命令滤波控制

针对连续搅拌反应釜系统在实际应用过程中存在的外部扰动和状态不可测问题,设计了一种基于观测器的模糊自适应命令滤波控制策略。首先,利用模糊逻辑系统去逼近系统中存在的非线性函数,同时设计模糊状态观测器对系统的状态变量实时估计;其次,将自适应反步控制方法与命令滤波技术相结合,通过设计非线性扰动观测器准确估计系统的外部扰动,并在反步法设计过程中进行扰动补偿,从而使控制器的设计过程更简单,同时解决了传统反步法导致的“计算爆炸”问题。通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明,所设计控制方案具有稳态误差小、控制精度高、抗干扰能力强,可直接对系统状态变量进行观测的优点。

水利工程用液压清淤泵模糊自抗扰控制方法设计

水利工程使用的液压清淤泵受阶跃负载扰动的影响,造成液压缸流入、流出的动力与功率稳定性降低,导致清淤工作效率降低;为有效提升液压清淤泵工作效率、降低阶跃负载扰动带来的影响,提出一种针对水利工程用液压清淤泵的模糊自抗扰控制方法;首先,确定液压清淤泵自抗扰控制过程中相关影响因素,再基于影响因素分析结果确定液压清淤泵模糊自抗扰控制流程对影响因素进行控制,最后实现水利工程用液压清淤泵模糊自抗扰控制;仿真结果表明:该方法得到的液压清淤泵负载扰动值与实际负载扰动值相接近,可以准确估计阶跃负载扰动;控制水利工程用液压清淤泵后,液压清淤泵响应速度较快,含淤值在0.030 L/min左右,容积效率为98.73%;由此可知,该方法具有较好的控制效果,控制后的水利工程用液压清淤泵稳定性较高。

基于扰动观测器的弹药提升装置模糊滑模控制

针对某新型弹药提升装置位置控制过程中负载变化和外界扰动等带来的不确定性问题,提出一种基于扰动观测器的模糊滑模控制策略。引入扰动观测器对复合干扰进行在线估计和前馈补偿;由于系统参数的不确定性,很难对系统进行精确建模,利用模糊逻辑逼近数学模型,从而建立等效控制律,大大减轻了控制器的设计难度。仿真结果表明:所设计的控制策略在外界干扰存在的情况下,能够对弹药提升装置位置进行精确控制,具有良好的鲁棒性。

稻麦联合收割机变频驱动液压控制中强扰动问题解决方法

稻麦联合收割机变频驱动液压泵,作为收割机液压系统中重要的动力元件,其在工作中存在非线性时变特征干扰,控制过程中存在的强扰动一直是需要解决的难点,提出一种稻麦联合收割机变频驱动液压控制方法。针对非线性时变特征带来的强扰动问题,设计了降阶负载扰动观测器与转速模糊控制器。将降阶负载扰动观测器、转速模糊控制器与工控计算机、变频器、发动机、液压泵等组件结合起来,构建了强干扰下变频驱动液压泵的自动化控制方法,实现了对液压系统中压力和流量的精确控制。实验结果表明:由该技术控制的收割机转速与流量相对稳定,具有较强的抗干扰性,泵出口压力与最大负载压力的压差较小,高度拟合,且几乎没有溢流损耗,节能效果显著。

基于滑模负载扰动观测器的USV永磁同步推进电机模糊自适应控制

为增强无人水面艇(USV)永磁同步推进电机控制系统的抗负载扰动能力,提出了一种基于模糊自适应控制和负载转矩补偿相结合的非线性转速控制策略。该策略以电机转速和q轴电流为观测对象设计滑模负载转矩观测器,将实时辨识的负载转矩观测值引入电流环中形成对参考转矩的前馈补偿,抑制未知负载扰动对控制性能的影响;同时利用模糊自适应控制不需对被控对象建立精确数学模型的优点,将其引入速度环中以提高USV推进系统的鲁棒性。通过MATLAB/Simulink仿真分析,验证了基于滑模负载扰动观测器的USV永磁同步推进电机模糊自适应控制系统方案的正确性和有效性。

基于自抗扰的混合储能系统控制策略

混合储能系统作为独立光储直流微电网的重要组成部分,兼具能量型储能和功率型储能技术特性,可以实现微电网系统内不平衡功率的平抑以及直流电压的稳定。为提高混合储能系统工作性能,提出了一种基于自抗扰的控制策略,利用扩张状态观测器对内、外未知扰动进行观测估计与扰动补偿,并引入模糊自适应与扩张状态观测器相结合,从而提高系统的稳定性与抗扰性。在Matlab/Simulink数字平台对混合储能系统进行了建模仿真,验证了该控制策略的可行性与优越性。

机车PMSM牵引传动系统自适应模糊反推滑模控制

为研究电力机车PMSM牵引传动系统带载运行时的转速控制精度,考虑电机转子轴和负载轴所受扰动,建立了PMSM牵引传动系统的数学模型;针对系统中存在的时变扰动,依据非线性观测器设计理论构造非线性扰动观测器对其实际值进行估计,并对估计误差进行自适应模糊逼近;依据Lyapunov稳定性理论,基于微分估计器能够任意精度估计的优点,构造了基于微分估计器的自适应模糊反推滑模控制器。理论分析及仿真结果表明,PMSM牵引传动系统闭环跟踪误差一致有界,扰动观测误差收敛于0。

基于干扰观测器的机械臂自适应模糊滑模控制

机械臂在轨迹跟踪控制中存在建模误差和外界干扰等问题。为了提高机械臂轨迹跟踪的精度和速度,设计了一种基于干扰观测器的机械臂自适应模糊滑模控制策略。首先,使用新型趋近律来减小机械臂滑模控制系统中抖振的影响;其次,采用干扰观测器对机械臂建模误差和外界干扰进行估计,根据干扰观测器的观测值对机械臂的输入力矩进行补偿;最后,对于无法观测的部分,采用模糊系统中的万能逼近原理对未知的干扰进行估计,进一步提高机械臂的轨迹跟踪性能。通过仿真试验表明,该控制策略不仅可以克服建模误差和外界干扰所带来的影响,还可以有效地削弱系统的抖振,保证了机械臂各关节位置跟踪的精度和速度。同时也说明了该控制策略的有正确性和有效性。