针对非线性外生系统的模糊干扰观测器与抗扰控制设计

针对由外生系统描述的扰动的抗扰控制方法一直是研究热点。本文针对一类含有非线性扰动的非线性系统,利用径向基函数模糊逻辑系统逼近系统及外生系统中的未知非线性函数,设计了一种新型的模糊干扰观测器(FDO)估计非线性扰动。构造了一种新颖的干扰估计误差观测器来逼近自适应更新律中的干扰估计误差。在此基础上,结合线性矩阵不等式(LMI)提出了一种基于FDO的自适应模糊控制方法,并利用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性。最后,采用仿真实验验证了所设计的控制方法。实验结果表明,所提出的方法在控制精度及干扰估计精度上均优于传统的抗扰控制方法。

基于模糊干扰观测器的精密直驱系统滑模位置控制

为了实现永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)在精密直驱系统中的高性能位置控制,针对其控制精度易受系统参数摄动和外部扰动等因素影响的问题,提出了一种基于模糊干扰观测器(fuzzy disturbance observer,FDO)的非奇异快速终端滑模控制(nonsingular fast terminal sliding mode control,NFTSMC)复合策略。首先,建立了考虑系统集总扰动的PMLSM动力学模型,同时为提高伺服系统鲁棒性能同时削弱抖振现象,引入模糊干扰观测器观测系统集总扰动;然后,设计了非奇异快速终端滑模面,能够保证系统跟踪误差在有限时间内快速收敛至零,并将观测器估计值动态补偿至控制器中;最后,通过精密直驱系统仿真与试验证明所提方法能够有效提高控制系统的响应速度、跟踪精度与鲁棒性,同时削弱抖振现象。

基于干扰观测器与终端滑模的车辆纵向控制

为了消除未知干扰和不确定性对车辆纵向控制的影响,设计了基于干扰观测器和终端滑模控制的分层式车辆纵向控制系统.利用干扰观测器对系统干扰进行实时观测,实现对系统的反馈补偿,降低滑模控制的切换增益,从而抑制滑模控制的抖振.利用Lyapunov函数证明了控制系统的稳定性,并通过Carsim/Simulink进行了联合仿真试验.结果表明:在两种仿真工况条件下,控制器对参考速度跟踪效果良好,速度误差最大仅为0.22 m/s,干扰观测器对系统干扰能够准确快速估计,估计误差仅为0.003 14,切换逻辑执行器发挥良好;与传统滑模控制相比,所设计的控制器稳定性更好,抑制了滑模控制的抖振,实现了对车辆纵向速度的稳定跟踪.

基于干扰观测器的升力式飞行器改进离散滑模控制研究

升力式飞行器具有飞行空域宽、速度变化范围大、机动性强等特点,是近年来国内外的研究热点。本文针对升力式飞行器模型大不确定及外界干扰强带来的控制难题,提出了一种基于干扰观测器的改进离散滑模变结构控制方法。首先,建立了俯仰通道的离散控制模型。其次,设计了一种基于干扰估计的改进离散滑模变结构控制律,并证明了其稳定性。再次,分析了参数选择对控制系统的影响,验证了控制律的有效性。最后,与传统的离散滑模变结构控制方法进行了比较。仿真结果表明,与传统的离散滑模控制方法相比,本文提出的控制律控制精度更高、鲁棒性更强、滑模面收敛速度更快及抖振更小,可有效提高升力式飞行器的飞行品质,实现复杂任务的稳定控制。

面向电机伺服的自适应超螺旋滑模辅助干扰观测器

提出一种自适应超螺旋滑模辅助干扰观测器,这种新型滑模辅助干扰观测器由自适应超螺旋滑模补偿器和干扰观测器组成,结合两者优势以增强电机伺服系统的抗干扰能力。干扰观测器负责估计补偿低频干扰,自适应超螺旋滑模补偿器对干扰观测器未补偿的高频干扰,以及由于模型不确定性造成的干扰估计误差进一步补偿。文中构造了两个Lyapunov函数分别证明了滑模函数和自适应律的稳定性与收敛性。与干扰观测器和自适应滑模辅助干扰观测器的对比实验,验证了在电机受到干扰时所提方法的位置收敛时间与另外两种方法相比,分别减小了1.177 s和0.927 s,提高了电机伺服系统对干扰的补偿速度。同时所提方法的滑模抖振比之降低了68%,减小了滑模抖振。

基于干扰观测器的多航天器固定时间姿态协同跟踪控制

针对受扰动下的多航天器系统姿态一致性跟踪问题,提出一种基于干扰观测器与固定时间理论的分布式姿态协同控制策略。多航天器系统在空间中易受太阳光压、重力梯度与地磁力等外部干扰影响而导致控制精度下降,此外航天器内部惯量不确定性带来的影响也不可忽视,因此设计一种基于二阶积分滑模的干扰观测器对复合干扰进行快速精确估计,且该观测器无需任何干扰先验信息。利用观测器获得的估计值,结合领导跟随法,提出一种分布式固定时间姿态协同控制器,实现系统固定时间收敛,收敛时间可通过控制参数进行调节。利用Lyapunov函数证明了系统的固定时间稳定性。仿真与对比试验结果表明,干扰观测器能在较快时间内实现对复合干扰准确估计,协同控制器能在固定时间内实现对期望姿态鲁棒跟踪,与自适应有限时间方法相比,该控制策略精度更高、收敛速度更快和燃油消耗更少。

基于非线性干扰观测器的IPMSM改进无模型滑模控制

针对内置式永磁同步电机参数摄动导致模型不确定而影响系统控制性能的问题,提出一种基于非线性干扰观测器的内置式永磁同步电机改进无模型滑模控制方法。首先,建立考虑参数摄动的内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)新型超局部模型;其次,利用改进滑模趋近律设计滑模控制器作为无模型控制中的反馈控制器;然后,设计非线性干扰观测器来观测估计无模型控制中的未知复杂项;最后,与传统无模型滑模控制方法进行仿真实验对比。仿真实验结果证明所提方法能有效解决系统参数摄动影响电机控制性能等问题,验证了所提方法的有效性及优越性。

基于干扰观测器的机电伺服系统PI控制策略

空气舵机电伺服系统的主要任务是接收控制指令,并驱动负载按指令角度摆动,在各类航空航天飞行器中具有越来越广泛的应用价值。然而在运行过程中存在的未知干扰给机电伺服系统高精度控制带来了巨大挑战。针对这一问题,提出基于干扰补偿的空气舵机伺服系统控制策略。首先进行空气舵机电伺服系统模型分析,其次运用径向基函数设计神经网络的状态观测器,将不可测量的舵面角度用估计值替代进行反馈控制,最后应用Lyapunov方法分析了有限时间收敛条件。仿真结果表明:与传统电机角度反馈相比,所提出的控制策略使空气舵机电伺服系统的稳态误差减少97%以上。

一种自适应滤波与干扰观测器相结合的大型舰船状态估计算法

为满足航母等大型舰船目标的状态估计要求,提出一种由非线性干扰观测器和强跟踪容积卡尔曼滤波算法融合形成的交互多模型强补偿容积卡尔曼滤波算法。引入非线性干扰观测器,完成由外界不确定因素引起的干扰总量的估计,并对观测器稳定性进行证明。使用估计的干扰值实时修正强跟踪容积卡尔曼滤波的过程参数,最终形成交互多模型强补偿容积卡尔曼滤波算法,完成对目标状态相对准确的估计。研究结果表明:新提出的滤波算法能够较为准确地完成对目标状态的估计,与变结构多模型粒子滤波算法、变结构多模型无迹卡尔曼滤波算法和交互多模型强跟踪容积卡尔曼滤波算法相比,在目标位置和速度估计上具有更高的估计精度。

基于级联干扰观测器的货运列车分布式控制研究

针对货运列车在多源扰动下的跟踪控制问题,提出一种基于级联干扰观测器的固定时间替换滑模控制方法。首先构建了考虑车间作用力的多质点动力学模型,针对匹配与非匹配扰动同时存在的情形,设计了一种级联结构扰动观测器同时估计多源扰动,放宽了传统扰动观测器要求“扰动缓慢变化”的前提条件。基于扰动观测信息,将非匹配扰动下的列车动力学模型转化为匹配模式。最终,提出了一种基于替代滑模法的分布式控制策略。仿真结果表明,所提的级联干扰观测器能够在0.5 s内准确估计多源干扰;相比于传统的列车跟踪控制研究,所提出的控制策略能够在快速处理多源扰动带来的一系列失稳问题,在保障车间作用力稳定的同时,实现了速度-位移双指标鲁棒跟踪控制;相对于传统控制方法系统收敛时间提高5 s以上,体现了较好的实时性与鲁棒性。

基于时变增益扩张状态观测器的逆变器系统自适应super-twisting电压鲁棒控制

针对电压源逆变器系统中负载扰动和参数摄动,本文提出了一种基于时变增益扩张状态观测器的自适应super-twisting鲁棒电压控制新方法.首先考虑负载扰动,建立单相逆变器系统的动态模型,进而考虑系统参数摄动,通过引入非测量辅助状态变量,将上述动态模型转化为只包含匹配扰动的状态方程;其次,设计时变增益扩张状态观测器,以实现对非测量辅助状态变量与包含负载变化和参数摄动等因素在内的集总不确定项的估计;最后,基于此扩张状态观测器,设计采用自适应super-twisting算法的滑模控制律,以实现逆变器系统输出电压对其参考电压的快速准确跟踪并增强系统鲁棒性.仿真实验结果表明:所提出的时变增益扩张状态观测器可在保证观测误差收敛的同时,有效抑制"初始微分峰值"现象;采用自适应super-twisting算法的滑模控制策略可使逆变器系统输出电压具有较高跟踪精度和较小总谐波失真率,增强系统的抗干扰能力,并降低控制输入信号"抖振".

基于Super-twisting观测器的制动缸自适应鲁棒控制

针对实际工况中轮对踏面径向形变挤压机车制动缸活塞及闸瓦产生的时变扰动,设计Super-twisting观测器对其实际值进行估计并对估计误差自适应模糊逼近以削弱时变扰动。构造基于微分控制律的自适应鲁棒控制器,将其应用于制动缸闸瓦位置控制系统。理论分析及仿真结果表明,系统闭环各状态变量输出有界,滑模面导数收敛于0而滑模面常值收敛。

复合干扰作用下基于干扰观测器的系统运行优化控制

为了优化实际工业系统性能,降低损耗,针对不同类型干扰同时作用的系统,提出一种改进的两层运行优化控制算法来解决干扰对控制系统带来的影响。首先,采取传统两层运行优化控制框架结构,在底层设计PID控制器来保证控制系统的跟踪性能,使得系统的输出能尽可能地跟踪设定值;其次,根据作用于系统的复合噪声类型,结合H_(∞)方法在上层设计干扰观测器以及补偿控制器进行干扰抑制,以使系统的输出能够跟踪最优设定值;最后,通过数值仿真验证该方法的有效性。

Super-twisting扩张状态观测器在四旋翼飞行器故障重构中的应用

针对四旋翼飞行器姿态控制系统的故障重构问题,提出一种基于super-twisting算法的扩张状态观测器,以扩张状态的形式对飞行器执行机构故障进行直接估计,同时实现了旋翼增益故障的故障隔离与精确重建。为抑制外部扰动对观测器稳定性的影响,一般需要将观测器的增益设置较大,但同时会引发噪声扩展问题。因此引入了观测器参数的自适应调整算法,在保证观测器稳定收敛的同时降低了噪声对故障重构精度的影响。此外,基于李雅普诺夫方法证明了滑模观测器的渐近收敛特性,并通过数值仿真验证了观测器对故障重构的有效性。仿真结果表明所构建的故障观测器能够迅速地对执行机构故障做出反应,并在外界扰动存在的情况下对故障程度实现准确估计。

带有神经网络干扰观测器的视线角约束制导

针对具有终端视线(line-of-sight, LOS)角约束的机动目标拦截问题,提出一种基于径向基函数(radial basis function, RBF)神经网络干扰观测器的LOS角约束制导方法。首先,考虑目标机动过程中加速度信息无法获取的情况,给出了一种基于RBF神经网络的干扰观测器,实现了对目标机动的高精度估计;其次,充分考虑终端角度约束,结合超螺旋算法思想,通过幂次项的引入设计了一种改进的滑模制导律,从而有效提升了有限过载情况下的制导精度;在此基础上,通过Lyapunov定理对算法的收敛性和稳定性分别进行了证明;最后,通过仿真验证对比了3种不同方法在4种拦截场景下的制导性能,同时针对所提方法进行了蒙特卡罗打靶仿真,仿真结果表明所给出的LOS角约束制导律对机动目标拦截精度高、鲁棒性强。

基于Super-Twisting滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制

针对永磁同步电机矢量控制系统的高性能要求,提出一种基于二阶super-twisting滑模理论的永磁同步电机转子反电动势观测器.对电机反电动势观测值进行运算处理得到电机转子位置与转速,并采用矢量控制对电机转速进行控制,从而实现永磁同步电机的无传感器控制.根据Lyapunov稳定性理论,该观测器的收敛特性,super-twisting算法相比于传统一阶滑模算法极大地削弱了系统的抖振,降低系统超调的同时减小了系统调整时间.仿真和实验结果均表明该方案可有效实现转子位置与转速的估算,且系统具有良好的鲁棒性和动态响应能力.

基于GMS摩擦力补偿和干扰观测器的高精度速度控制

为了降低机械轴系摩擦力扰动对于伺服控制器在低速运动控制精度的影响,进一步提高传统伺服控制器对于稳定平台的控制能力,提出了一种基于广义Maxwell滑动(generalized Maxwell-slip,GMS)摩擦力模型前馈和干扰观测器的高精度摩擦力补偿方案。首先在传统控制基础上引入GMS摩擦模型前馈补偿对摩擦扰动进行初步的补偿;然后,通过加入干扰观测器,对残余扰动及其他扰动进行第2次的抑制。利用实物平台对控制方法的低速运动性能进行了测试,对比设计的控制算法和传统PI控制器的控制结果,验证提出的控制策略抑制摩擦扰动的效果。结果表明,基于GMS摩擦力前馈和干扰观测器的控制方案有效的补偿了摩擦非线性、模型不确定性等因素对于控制系统的影响。新方法可将稳定平台低速运动时的控制误差降低到0.015°/s,在实际工程中具有较高的应用价值。

基于干扰观测器的飞行器主动抗干扰控制方法

针对高速飞行器模型参数不确定和外界干扰对飞行控制系统的影响,提出一种基于干扰观测器(disturbance observer,DOB)的主动抗干扰控制方法。所提方法将外部干扰和模型不确定性造成的实际对象与标称模型之间的差异等效到控制器输入端,从而实现对系统总干扰的补偿控制。通过六自由度仿真验证所提方法的有效性和正确性,仿真结果表明所提方法能够有效地实现高速飞行器姿态跟踪控制,且能够提高系统的控制品质。所提方法结构简单,可以在不影响现有控制回路的前提下提高系统对低频干扰的抑制能力,具有较强的工程可实现性,为高速飞行器姿态控制系统设计提供了一种设计方法。

基于自适应干扰观测器的巡航导弹掠海飞行轨迹跟踪控制

构建了巡航导弹动力学模型,将不确定性项与风浪干扰项合并,同时引入一种自适应干扰观测器予以补偿,提高导弹控制系统的鲁棒性,并利用高阶滑模控制器和任意阶微分器实现控制系统反馈环节的有限时间镇定.仿真实验表明,该方案可实现在1∼7级海况下巡航导弹掠海飞行的高精度轨迹跟踪,同时具备较高的收敛速度和良好的适应性.

基于滑模干扰观测器的直线伺服系统滑模速度控制仿真研究

为了减小永磁同步直线电机伺服系统的速度跟踪误差,提出了一种基于滑模干扰观测器的滑模控制方法。首先,建立直线电机的数学模型。其次,针对直线电机具有参数时变、内部状态耦合的非线性特性,设计了滑模控制器。然后,考虑到直线电机伺服系统存在的多种扰动,设计了滑模干扰观测器用于估计扰动,并将观测器的扰动估计值作为速度控制器的前馈补偿,以消除扰动对系统的影响。最后的仿真结果表明,所提出的控制方法能提高直线电机速度控制系统的静态性能和抗干扰性。