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.     

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.     

智能空间刚架的模糊自抗扰振动抑制研究

智能空间刚架作为太空望远镜支撑架是一种新型智能空间结构.为抑制刚架系统在运动过程中产生的振动,"文章提出了一种基于自抗扰控制的非线性模糊自抗扰控制理论,并设计出模糊自抗扰控制器.首先采用有限元方法计算出空间刚架的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,进而建立系统模型并设计出自抗扰控制器以实现对系统振动的抑制.基于普通自抗扰控制器,利用模糊推理在线整定控制器中非线性状态误差反馈的参数.该控制器不依赖于被控对象的精确数学模型,具有良好的控制性能,同时参数的在线自整定简化了调参难度.仿真实验验证了所提方法的有效性.     

四旋翼飞行器姿态控制方法和实现

研究了小型四旋翼飞行器惯导系统的姿态解算和控制问题.首先,文章采用三阶近似毕卡四元数算法来解决四旋翼飞行器的姿态解算问题,进而将该算法与卡尔曼滤波器相结合,避免了陀螺仪的积分累积误差,有效消除了四旋翼飞行器机体振动引起的传感器测量误差.其次,根据姿态解算得到的姿态角,设计了积分分离PID和串级PID控制器进行姿态控制.最后,将设计的姿态解算算法和姿态控制算法应用到四旋翼飞行器平台上,实现了四旋翼飞行器的姿态控制,验证了文章算法的有效性.     

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.     

一种具有无扰切换功能的位置型自抗扰控制器数字实现

介绍了一种位置型自抗扰控制器(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)的数字实现.根据线性一阶和二阶自抗扰算法的计算原理,提出自抗扰控制器无扰切换的具体逻辑实现方法,使得控制方式转换过程可以平滑进行,避免对系统造成额外干扰.通过C语言的实现形式,测试所提出的数字型自抗扰控制算法基本闭环控制功能,并证明所提出的位置型自抗扰控制器可以实现ADRC/PID/手动模式之间的无扰切换.仿真结果表明了该位置型控制器在过程控制平台中应用的有效性和可实现性.     

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.     

自抗扰控制:思想、应用及理论分析

首先从思想方法上剖析利用自抗扰控制思想处理不确定系统控制问题的独特之处,说明在运用自抗扰控制思想处理大范围及复杂结构(非线性、时变、耦合等)不确定系统时,首先需要准确分析系统中影响被控输出的"总扰动".然后,通过几个典型的应用研究实例说明自抗扰控制在处理大范围不确定性以及实现高精度闭环动态性能方面的优良品质.最后,对最新的理论分析结果进行简要综述.     

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.     

自抗扰无人车纵向编队跟踪控制

针对空气阻力,非线性摩擦以及外部干扰等无法精确建模的复杂不确定性因素对无人车纵向编队跟踪控制的不利影响,为提升控制精度和收敛速度,文章提出了基于前车与自身状态信息的自抗扰无人车纵向编队跟踪控制设计方法.文章通过构造扩张状态观测器在线估计由前车与当前车辆系统内部未建模动态以及外部干扰等不确定性因素构成的总扰动,并在反馈控...     

基于有限时间姿态控制算法的四旋翼飞行器悬停控制

基于反步设计方法和有限时间控制技术,文章设计了四旋翼飞行器的控制系统,以实现定点悬停控制.首先,针对四旋翼飞行器位置控制系统,将姿态当成虚拟控制输入信号,设计了基于PD的位置控制器.然后,针对姿态控制系统,基于有限时间控制技术,设计姿态控制力矩使得飞行器姿态可以在有限时间内达到期望的姿态.最后,仿真结果验证了文章所提出控制器的有效性.     

输入饱和受限的多个四旋翼飞行器分布式编队控制

研究了多个四旋翼飞行器在主从结构下的分布式同步协调编队控制问题.基于反步法的设计思想,文章提出了一种有界的分布式一致性控制算法,以保证满足输入饱和受限条件.首先,对于位置控制子系统,基于比例微分控制和一致性理论,设计了一种多个四旋翼飞行器的协调编队控制律,来使所有的四旋翼飞行器都可以向领导者收敛,并沿着理想的编队轨迹运动.针对位置系统设计的分布式一致控制律将为姿态控制子系统的参考姿态输入信息.其次,针对基于四元数描述的姿态控制子系统,设计了一种饱和的全局姿态跟踪控制律,可以使飞行器跟踪上所期望的姿态.最后,通过数值仿真来验证所提方法的有效性.     

基于增益调度解耦控制的飞行控制系统研究

针对一类非线性系统,设计了增益调度解耦控制律,且给出了定量的闭环特性分析.在控制系统分析中,建立了闭环系统阶跃响应和动态性能指标关于控制参数的数学表达式,从而克服了许多控制算法中参数试凑的盲目性和重复性.此外,在控制律实现中,为保证作为调度变量的系统输出缓慢变化,且为避免工作点处实际模型和线性模型之间的大偏差以及控制量的瞬时值过大或是振荡,提出进行参考信号变换,即阶跃跳变部分都用正弦信号去替代.为验证所设计控制律的可行性和有效性,将其应用于四旋翼飞行器的飞行控制中.根据四旋翼飞行器的结构特性和运动原理,设计了递阶形式的飞行控制结构,并采用所提出的增益调度解耦控制律分别设计外环的位置控制器和内环的姿态控制器.飞行仿真结果表明所设计的飞行控制系统结构和所提出的控制律具有可行性和有效性.     

磁悬浮球系统的线性自抗扰控制与参数整定

研究了磁悬浮球系统的线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)及其参数整定问题.磁悬浮系统固有的非线性、开环不稳定性、系统参数摄动和外界干扰不确定性使得传统的控制方法难以取得良好的控制效果,对象模型的不确定性又限制了最优控制等现代控制理论的有效应用.为此,文章采用LADRC实现磁悬浮球系统的控制,并利用传递函数的方法,探讨了系统动态特性与控制参数之间的关系.最后,通过仿真与实验对比LADRC与时间加权绝对误差值积分(integral time absolute error,ITAE)最优PID控制器的控制效果,结果表明LADRC在响应快速性抑制外部扰动、抑制输出噪声、对模型不确定性的鲁棒性和相位滞后等方面均优于PID控制器.     

改进蜂群算法的永磁同步电机自抗扰调速策略

在分析永磁同步电机数学模型的基础上,针对永磁同步电机非线性、强耦合的特点以及存在快速性和超调难以调和的问题,提出一种基于改进蜂群优化算法的非线性自抗扰控制策略.首先针对传统蜂群优化算法全局寻优能力差和迭代缓慢的缺点,通过引入正余双弦局部优化算子和自适应惯性权重策略,有效提高了算法的全局搜索能力和收敛速度.其次将改进后的算法用于自抗扰控制器参数整定,选择出适用于永磁同步电机的自抗扰控制参数,提高了自抗扰控制器的控制精度.最后将优化后的自抗扰控制器用于控制永磁同步电机调速系统,并将仿真结果与其他三类控制器相对比,结果表明本文所提控制策略有效提高了控制精度,快速无超调且具有更好的抗扰动能力.     

一种新型自抗扰控制自适应非线性控制律

针对自抗扰控制(AIDRC)多参数不易整定的问题,提出了一种基于二次函数的非线性PID(NLPID)控制律.该方法用二次函数模拟PID增益参数随误差变化的规律曲线,构造了一个非线性PID神经网络模型,利用最速下降法对各模拟曲线的系数进行在线调整,实现了基于神经网络的自适应自抗扰控制.仿真结果表明,与常规ADRC控制方法相比,文章方法减少了ADRC需调整的参数,并具有较好的控制效果.     

基于自抗扰控制的制导与运动控制一体化设计

针对机动目标的拦截问题,将自抗扰控制的思想用于制导与运动控制一体化设计.其中,基于自抗扰控制的制导律产生在目标机动的情况下使视线角速度快速趋于零所需的制导律;而基于自抗扰控制的运动控制律可以在非线性不确定动态情况下实现所需加速度,从而保证快速有效地完成拦截任务.进一步分析所设计方案对制导与运动控制一体化设计的适用性,并通过计算机仿真验证该方案的有效性.     

自抗扰控制纵横谈

首先从不确定系统控制的角度,将自抗扰控制与其它一些有关不确定系统控制的理论与方法进行比较和讨论,然后围绕自抗扰控制理论分析方面的进展,以及需要进一步研究的课题进行深入讨论与总结.通过纵横两方面的讨论揭示自抗扰控制对推进不确定系统控制研究的贡献,以及自抗扰控制方法的突出特点.     

Adaptive Constrained Control of Unknown Strict Feedback Nonlinear Systems With Dead Zone Input北大核心CSCD

研究了具有死区输入的预设约束未知高阶严格反馈非线性系统的控制问题,提出了一种基于免疫函数的自抗扰预设漏斗约束自适应控制策略。首先,针对系统内部的未知问题,采用免疫函数与扩张状态观测器结合对系统内部未知项进行观测;其次,通过Lyapunov方法与漏斗控制相结合设计控制器,使得跟踪误差能够维持在预先设定的漏斗约束范围内;同时,利用双曲正切函数速率变化快这一特性设计自适应控制律,引入指令滤波器避免反步法中重复求导问题,分析证明了闭环系统所有信号的有界性。仿真实例表明了控制方法的有效性。     

基于模糊自抗扰的塔机消摆控制方法

塔机消摆控制系统是一个非线性、强耦合的复杂系统,传统PID控制效果往往欠佳.对此,建立了一个含阻尼的塔机偏摆系统数学模型,并提出模糊自抗扰控制策略.通过自抗扰控制器对塔机回转与变幅运动进行解耦,模糊算法对自抗扰控制器各参数实施在线调整,并对解耦后的回转、变幅子系统分别进行控制.在仿真实验中,对比其他典型方法,提出的方法摆角消失速度更快,这表明在负载运动过程中,所设计控制器实时性和鲁棒性较好.