Active Disturbance Rejection Control of Quadrotor UAVs Based on Joint Observation and Feedforward Compensation北大核心CSCD

为解决模型参数不确定与外界干扰影响下,四旋翼无人机飞控作业中姿态与轨迹跟踪精度下降,反应迟缓的问题,利用拓展Kalman滤波应对非线性系统问题出色的适应能力和噪声抑制能力,对四旋翼状态信息进行初步估算来抑制高频信号干扰,从而降低了扩张状态观测器的估计负担.同时,与扩张状态观测器联合估计由系统不确定性参数与外界扰动联合组成的“总扰动”,使系统对于精确模型的依赖性降低,并利用扰动估计的微分值进行前馈补偿,以提高对突变扰动的跟踪精度,克服了突变干扰下的相位滞后现象.综合联合观测器、带前馈补偿的LESO及带误差补偿的PD控制律,形成了一种利用拓展Kalman滤波与前馈补偿后的扩张状态观测器联合观测扰动,能较大程度抑制高频噪声和突变扰动的改进型自抗扰控制器.仿真与实验结果表明,联合观测器能有效地减小观测误差幅值且能超前校正观测相位滞后,从而更好地得到更精确的状态信息,改进型自抗扰控制器能更好地满足四旋翼飞行器快速反应、高效稳定的控制要求,精准高效地完成复杂轨迹跟踪.     

一类随机时延网络控制系统的神经网络自适应容错控制

针对一类随机时延网络控制系统,提出一种基于RBF神经网络自适应动态补偿的容错控制策略.该方法通过在线估计时延将系统建模为随机切换系统,并在模型参考自适应方法的基础上设计RBF神经网络动态补偿容错控制器,利用Lyapunov稳定性理论给出神经网络补偿器的在线权值学习算法,以保证网络控制系统在故障情况下的跟踪性能和状态一致最终有界稳定.最后通过仿真验证了该方法的有效性.     

一类不确定随机非线性系统的采样扩张状态观测器设计与观测误差的收敛性分析

实际系统中普遍存在各种干扰和不确定性因素,并且对控制系统的性能造成负面影响,因此设计对干扰和不确定性具有优异估计性能的观测器显得尤为重要.针对一类具有采样输出的不确定随机非线性系统,设计相应的采样扩张状态观测器用于在线估计不可量测状态和影响系统性能的随机总干扰.所估计的随机总干扰包含系统内部未建模动态、统计特性未知的外部有界噪声干扰以及不确定性因素的非线性耦合作用.在每个采样区间内,设计一个输出预估器用于估计实际输出,相应的输出估计值用于采样扩张状态观测器的设计.证明了所设计的采样扩张状态观测器对不可量测状态和随机总干扰的观测误差的均方收敛性.最后,一个具体仿真实例用于证实理论结果.     

基于扩张状态观测器的轮式移动机器人抗饱和自适应滑模轨迹跟踪控制

针对带有输入饱和约束的轮式移动机器人鲁棒轨迹跟踪问题,文章提出一种抗饱和自适应滑模控制方法.考虑到系统参数摄动和外部扰动等不确定因素对系统控制性能的影响,首先设计非线性扩张状态观测器来估计系统不确定因素,并基于估计值设计抗饱和自适应滑模控制器,消除系统的参数摄动、外部扰动和输入饱和约束对系统控制性能的影响.仿真对比结果验证了文章所提控制方法的优越性和有效性.     

信息物理系统降阶观测器设计及传感器攻击检测

提出了一种适用于含有未知输入信号的信息物理系统降阶观测器设计方法及传感器攻击检测应用.首先,利用克罗内克积将信息物理系统描述为整体系统动态模型;然后考虑系统存在未知输入时,通过增加降阶观测器增益矩阵的约束条件,实现降阶的同时消除未知输入给系统带来的影响,再通过系统输出状态判断是否存在传感器攻击信号.最后,通过数值仿真,验证了所提降阶观测器对系统的状态估计及检测传感器攻击信号的能力,且对比仿真结果显示,所提降阶观测器性能优于全阶观测器.     

基于自抗扰控制器的CNC雕刻机控制系统轮廓误差控制

针对CNC雕刻机控制系统因时变时延影响轮廓跟踪精度的问题,设计了基于自抗扰控制的单轴轨迹跟踪控制器和基于非线性PID(NLPID)的轮廓误差补偿控制器.首先,针对单轴轨迹跟踪控制,将时变时延引起的不确定性处理成系统总干扰的一部分,设计扩张状态观测器(ESO),对系统内外总干扰和系统状态进行实时估计,并设计误差补偿控制律,实现系统干扰的估计和补偿,得到良好的单轴轨迹跟踪控制性能.然后,根据轮廓误差估计值,设计基于NLPID的轮廓误差补偿控制器,对系统轮廓误差实时补偿,实现了良好的轮廓跟踪控制性能.最后,通过实验验证了所提方法的有效性.     

含有未知输人及非强可检测子系统的线性切换系统的观测器设计

主要研究含有未知输入的线性切换系统的观测器设计问题.系统中包含有强可检测和非强可检测的子系统.首先,给出了状态及输出的坐标变换,通过坐标变换,系统的一部分子系统将不受未知输入的影响.其次,当未知输入的扰动矩阵线性相关,可以设计出不含状态跳跃的观测器.更一般的,如果扰动矩阵线性无关,可以设计含有状态跳跃的观测器.基于平均驻留时间的假定,可以得到重构状态的误差指数收敛于0.最后给出数值仿真验证理论结果.     

永磁同步电机伺服系统的有限时间位置控制

研究了永磁同步电机伺服系统的位置跟踪问题.利用反馈线性化的思想,对永磁同步电机的数学模型进行分析,实现了电机模型的精确线性化和解耦.首先,将永磁同步电机位置跟踪系统采用反馈线性化技术变换为两个线性子系统,分别对其设计相应的基于连续状态反馈线性化的有限时间控制器,并设计了有限时间负载观测器来观测估计外部负载扰动.对永磁同步电机位置跟踪的闭环系统进行了稳定性的分析.与对应的渐近稳定控制的方案相比,基于有限时间的控制方案实现了永磁同步电机对期望信号的有限时间跟踪,获得了更好的动态响应和抗扰动性能.仿真结果表明了该控制方案的有效性.     

基于自抗扰控制的直升机航向控制方法

针对直升机航向动力学包含输入非线性、时变参数和主-尾旋翼之间的强耦合的特性,传统的控制方法很难实现良好的性能.提出了一种自抗扰控制器的设计方法,并设计了扩张状态观测器,对参数不确定性和外部干扰进行估计,并实时补偿.与常规控制相比,在保证闭环稳定性的同时,能够应对模型参数的不确定性以及扰动,能够进一步使跟踪误差满足期望精度.并针对实际模型直升机实验平台航向动力学模型,在参数不确定性和主旋翼有扰动情况下,仿真结果验证了该方法的有效性.     

基于ADRC的小型四旋翼姿态控制实现

设计了一个四旋翼飞行系统,提出了一种自抗扰控制方法,解决了该飞行系统的姿态控制问题.将显性互补滤波器与扩张状态观测器相结合,实现了对系统的状态与内外总扰动的实时估计,并在此基础上利用非线性误差反馈控制律对该扰动进行了补偿,消除了内外扰动对系统的影响.最后,分别采用PID与ADRC算法实现四旋翼的姿态控制,对比结果验证了所采用的自抗扰控制方法的有效性和优越性.     

基于扩张状态观测器的广义预测控制

针对线性对象,提出了一种基于扩张状态观测器的广义预测控制算法.首先,分离出对象中异于标准积分串联型的部分,把它作为扩张状态,再利用观测器对其进行实时估计和补偿,将原始对象近似转化为积分串联型.然后,针对积分串联型这种特殊的对象设计广义预测控制.这既降低了预测控制对于模型的敏感性,同时又极大简化了计算,取消了控制的增量形式以提高系统的鲁棒性但依然保持了闭环无静差特性.通过内模原理得到了闭环特征多项式.仿真结果验证了所提算法对于对象的参数摄动具有很强的动态性能鲁棒性.     

有效证券市场上证券价格长期波动控制系统的反馈控制

探讨有效证券市场上证券价格长期波动控制系统的反馈控制问题,建立了有效市场条件下证券价格长期波动的控制系统模型.根据系统完全能达的条件,讨论了以股市政策为单控制输入配置极点的问题和以上市公司政策为单控制输入配置极点的问题;根据系统非完全能达的条件,探讨了上市公司不发展时的镇定问题和股市宏观上不调控时的镇定问题.设计了一个降维状态观测器,用以估计证券的内在价值.选择使上市公司均衡增长时对应的证券平均内在价值作为目标值,设计线性多变量调节器,使所得到的闭环系统渐近稳定,且系统的输出跟踪该目标值.通过反馈控制以改善控制系统的内部结构特征和性能,达到人们对证券市场进行调控的预期目的.     

自抗扰控制处理边界带有干扰的具有尖端质量的Timoshenko梁方程的稳定性

讨论了边界带有不确定扰动的一维Timoshenko梁方程的边界反馈稳定性.运用的方法主要是自抗扰控制,其主要思想是通过构造常数高增益扩张状态观测器将扰动在线估计并在反馈控制中实时消除.最后通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统具有实用稳定性.     

具有丢包补偿网络化控制系统的量化反馈稳定性分析

针对受丢包和量化反馈问题约束的网络化控制系统,研究了零输入补偿策略和保持输入补偿策略与系统稳定性的关系.丢包补偿策略是决定网络控制系统性能的关键因素之一,量化效应的存在使两种补偿策略对系统的影响与以往的结果产生一些区别.文章采用以连续丢包数作为切换信号的切换量化器,量化密度根据网络负荷情况动态调节,利用受限切换系统方法得到了网络控制系统分别使用零输入策略和保持输入补偿策略时的稳定性分析方法.所得到的稳定性判据具有更小的保守性.进一步比较了两种丢包补偿策略在不同情形下对系统稳定性的影响.从理论分析及仿真结果可知,这两种丢包补偿策略各有优劣,分别适用于两种不同的情况.     

考虑时变状态约束与输入饱和的PMSM随机系统指令滤波控制

针对考虑时变状态约束和输入饱和的永磁同步电机随机系统的位置跟踪控制问题,提出了一种基于障碍Lyapunov函数的指令滤波反步控制方案.首先,构造障碍Lyapunov函数以保证电流、转速等状态量不违反时变约束条件.随后,利用模糊逻辑理论处理电机随机系统中的未知非线性项.此外,采用了指令滤波技术与误差补偿机制相结合的方法,不仅解决了传统反步法中出现的“计算爆炸”问题,而且消除了滤波误差的影响.仿真结果表明该控制器能有效抑制输入饱和与随机扰动的影响,提高系统的控制性能,同时能够保证电机系统所有状态在给定的约束范围内.     

具有不确定项的高阶非完整系统的反馈控制问题的研究

针对一类具有不确定性的高阶非完整系统,通过引入观测器,采用状态-输入转换、反推方法,设计了反馈控制器.同时为了处理初值为0的情况,提出了一种新的基于第一个子系统输出值的切换控制策略,提出的切换控制策略能有效的防止系统的状态发生有限时间逃逸现象.     

基于扩张状态观测器的机电伺服系统饱和补偿与自适应滑模控制

针对带有未知摩擦力矩与输入饱和约束的机电伺服系统,提出了一种基于扩张状态观测器的伺服系统自适应滑模控制策略.首先,根据微分中值定理将非光滑饱和函数转化为仿射形式.其次,设计非线性扩张状态观测器并采用极点配置法确定观测器参数,用于补偿未知摩擦、饱和等非线性项以及外部干扰的影响.然后,通过结合参数自适应律和滑模理论,设计自适应滑模控制器,保证系统输出快速稳定地跟踪期望信号且改善抖振问题.仿真对比结果验证了所提方法的优越性.     

基于免疫函数的输入死区未知严格反馈非线性系统投影自适应指令滤波反步控制

为解决含有未知项以及输入死区的严格反馈非线性系统跟踪控制问题,提出一种基于免疫函数的投影自适应指令滤波有限时间控制方法.该方法使用免疫函数构造扩张状态观测器对具有输入死区控制系统中的未知项进行逼近,并使用指令滤波解决反步法中微分爆炸问题,建立滤波误差补偿机制降低滤波误差对跟踪精度的影响,同时使用投影算子保证了自适应参数的有界性.与现有文献中基于障碍李雅普诺夫函数的自适应反步约束控制相比较,文章可同时约束系统状态、补偿跟踪误差以及自适应参数在预设的范围内,保证了闭环系统中所有信号有界,结合有限时间控制加快了控制系统的收敛速度.最后仿真结果表明了文章控制方法的有效性.     

模糊输入时滞系统的输出反馈控制及稳定性分析

针对一类状态不可测的模糊输入时滞系统,应用平行分布补偿算法(PDC),设计了模糊观测器,提出了基于模糊观测器的输出反馈控制方法,给出了保证模糊时滞系统渐近稳定的新的充分条件.应用广义Lyapunov函数和线性矩阵不等式方法,证明了模糊输入时滞系统的渐近稳定性,同时给出了控制和观测增益矩阵的分离设计算法.仿真结果进一步验证了所提出的方法和条件的有效性.     

基于输出带干扰非线性一维波动方程的输出反馈镇定

研究了基于输出带干扰非线性一维波动方程的输出反馈镇定.首先,设计时变增益观测器获得干扰的估计.其次,使用干扰补偿原则获得输出反馈控制器.最后,对闭环系统解的存在性与唯一性作了证明,进一步使用能量扰动法获得闭环系统的渐近稳定性.