高超声速飞行器自抗扰姿态控制器设计

针对高超声速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器(extended state observer,ESO)及非线性状态误差反馈律(nonlinear law state error feedback,NLSEF),分别设计了高超声速飞行器内环和外环自抗扰姿态控制器。将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为"总和干扰"利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用NLSEF抑制补偿残差。自抗扰控制器(active disturbance rejection control,ADRC)设计无需精确的飞行器被控模型,也无需精确的气动参数及摄动界限。仿真结果表明,控制系统能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性。

基于变结构的自抗扰控制器

自抗扰控制器(ADRC)可调参数较多且不易整定,影响了它的进一步推广和应用。将变结构控制的理论引入到ADRC中的扩张状态观测器(ESO)和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)的设计中,使得在保证原控制器优点的同时减少了可调参数,并改善了系统的控制效果,仿真结果表明了这种改进的控制器的有效性。

基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机自抗扰控制

针对外部突加大负载扰动时,传统自抗扰控制策略中扩展状态观测器(ESO)的观测精度差,以及系统噪声对ESO观测精度的影响,提出一种基于卡尔曼滤波器的自抗扰控制策略(KF-ADRC)。通过卡尔曼滤波器观测出的负载转矩进行前馈补偿,以提高大负载扰动下ESO观测精度;通过卡尔曼滤波器观测出的转速用作系统闭环反馈,以削弱系统噪声对ESO观测精度的影响。将传统自抗扰中的线性误差状态反馈律替换为非线性误差状态反馈律,以提升系统跟踪和抗扰性能。搭建了400 W PMSM伺服系统驱动平台验证了该控制策略的有效性。

基于模糊非线性状态误差反馈策略的EPS回正控制

为了解决电动助力转向(electric power steering,EPS)系统回正控制中快速性与准确性之间的矛盾,提升回正控制的稳定性,文章针对PID控制中积分环节的不利影响及滑模变结构控制(sliding mode control,SMC)较为依赖精确数学模型的问题,采用了非线性状态误差反馈(nonlinear state error feedback,NLSEF)的EPS回正控制策略;对NLSEF的参数采用模糊化控制调节,以转向盘的转角及角速度作为输入变量,建立回正控制策略模型。台架试验结果对比表明,参数模糊化控制的NLSEF方案明显改善了EPS的回正性能,同一车速条件下,不论转向盘初始状态如何,都能快速、准确地操纵汽车回正。

基于非线性自抗扰的四旋翼姿态控制

针对四旋翼无人机姿态跟踪的精度问题,提出了一种不依赖于四旋翼无人机姿态模型的非线性自抗扰控制方法。首先,建立了通道耦合的四旋翼姿态动力学模型;其次,利用跟踪微分器安排指令过渡过程,实现超调量与快速性的协调设计;然后,利用非线性扩张状态观测器实时估计不确定性扰动并对四旋翼姿态进行补偿;最后,综合前述模块,通过非线性状态误差反馈实现跟踪误差的抑制,提高补偿效率。讨论调参规律后,在MATLAB/Simulink环境中进行仿真验证,跟踪精度的误差约为10^(-2)数量级,并与PID控制进行比较;后在平台上进行实验测试。仿真与实验结果均表明,本文所设计的控制器可以实现高精度姿态跟踪的快速响应,有效地提高了控制系统的抗干扰能力和鲁棒性,具有实际工程应用价值。

基于免疫自整定的自抗扰控制研究

结合自抗扰(ADRC)和生物免疫的控制思想设计了免疫ADRC控制器。设计的免疫ADRC控制器保留了传统ADRC控制器的结构,并运用生物免疫机制实现了自抗扰控制器中非线性状态误差反馈(NLSEF)的参数自整定。这样设计的控制器可以提高传统控制系统的抗干扰能力,优化了控制器性能。设计的免疫ADRC算法可适用于N阶对象,仿真部分以二阶运动模型为例。仿真实验表明,免疫ADRC既可以保存传统ADRC快速跟踪和有效观测的优点,又能在此基础上增强系统的抗扰能力,提高了系统的稳定性。