四旋翼飞行器的轨迹跟踪抗干扰控制

针对四旋翼飞行器轨迹跟踪问题中系统存在模型不确定和易受到外界扰动的情况,提出了基于切换函数的扩张状态观测器设计方法来对系统中的扰动进行估计,并将估计值与滑模控制器的设计相结合,实现了对系统中非匹配不确定性和匹配不确定性的抑制且实现了系统跟踪误差的一致最终有界.首先,根据变量间的耦合关系将飞行器系统模型分解为两个子系统模型,设计扩张状态观测器对子系统中的非匹配不确定性进行估计,并将估计值作为变量加入到切换函数的设计中;进而基于切换函数设计扩张状态观测器以估计经切换函数重构系统中的扰动,并在控制器中对扰动进行补偿.最后通过李雅普诺夫理论证明了控制系统的稳定性.通过仿真验证了本文提出的方法能够有效实现飞行器轨迹跟踪控制且能够抑止传统滑模控制的抖振现象.     

无人驾驶飞行器姿态的非线性扰动抑制控制

本文研究了无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV)的姿态跟踪控制问题.针对在飞行器姿态跟踪时存在的系统模型不确定性和外界扰动,提出了一种基于四元数的姿态跟踪控制方法,基于UAV的姿态误差模型分别设计系统的观测器和控制器.首先,以四元数为姿态参数建立系统的非线性误差模型;在此基础之上,设计一种非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDOB)用以在线估计误差模型中的复合扰动,并在控制输入端进行相应的补偿.然后通过设计非线性广义预测控制律设镇定误差系统,实现姿态跟踪.最后基于频域理论分析了非线性干扰观测器的扰动抑制性能.仿真与实验结果表明本文提出的方法在系统存在复合扰动的情况下能使系统姿态有效的跟踪期望值.     

四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法

针对四旋翼飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法.在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性以及风速变化等外部干扰问题.此外本文还设计了非线性状态误差反馈控制律来有效抑制跟踪误差.在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,本文所设计的自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒性,能够满足飞行器姿态调节快速和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器.     

基于观测器的一类非线性系统的自适应模糊控制

针对一类有界的不确定非线性系统设计了模糊观测器和自适应控制器.该方法不需要系统状态完全可测的条件,而是通过模糊观测器估计系统的状态变量并且能保证观测误差是一致最终有界的.该自适应控制器取得了良好的控制效果并且保证了跟踪误差的一致最终有界性.仿真结果表明了本文所提出的方法有效性.     

基于ESO的船舶航向鲁棒自适应控制

针对具有内部未建模动态和外部不确定扰动的水面船舶设计一种鲁棒自适应航向控制器,并同时解决转向过程中的漂角补偿问题.基于二阶非线性Nomoto模型和一阶漂角模型,建立非积分链结构的漂角-航向非线性状态空间模型,将航向控制系统未建模动态与外部不确定扰动合并为复合扰动,应用扩张状态观测器估计模型中的未测量状态和系统复合扰动.基于Lyapunov稳定性理论和自适应反步法设计航向状态反馈控制规律,为避免反步法控制过程中的微分爆炸问题,采用动态面控制技术获取虚拟控制信号的近似导数.所提出的扩张状态观测器和航向控制算法能够保证闭环系统内所有误差信号一致最终有界,提高航向保持和转向过程中的航向跟踪精度.仿真结果验证了所提出的航向控制规律的有效性.     

比例阀控电液系统抗扰换向滞后补偿反步控制

针对比例阀存在换向滞后,电液系统受到的外部干扰,液压油弹性模量随渗入的空气变化、未建模动态,这些因素增加了设计电液位置控制器的难度,本文使用线性扩张状态观测器(LESO)对比例阀控电液系统的内部扰动、外部扰动、未建模动态进行估计,将虚拟控制量的非线性函数纳入抗扰反步控制器设计,实现比例阀控电液系统换向滞后补偿.分析了闭环系统的稳定性,证明当扰动导数有界时,观测误差和跟踪误差都有界,调整控制器增益与非线性项参数可使跟踪误差收敛到原点附近,仿真和实验表明,本文设计的控制器能显著缩短比例阀换向滞后、提高电液位置控制系统的跟踪速度、精度与抗扰能力.     

高超声速飞行器再入姿态改进自抗扰控制

针对高超声速飞行器在无动力再入过程中具有复杂非线性、控制通道间强耦合及气动参数不确定性,增加了控制器设计的困难.通过构造连续光滑扩张状态观测器及自抗扰解耦控制技术,设计了高超声速飞行器自抗扰姿态控制器.采用构造qin函数实现了连续光滑扩展状态观测器的设计,可避免自抗扰控制器应用过程中的高频颤振现象.通过自抗扰解耦控制技术设计了姿态角及姿态角速度联合控制器,无需基于奇异摄动理论分为内外环控制,解决了设计飞行器内外环控制器时需忽略内环对外环的耦合影响问题,并且解决了难于获取精确的飞行器被控模型及精确的气动参数、摄动界限等问题.仿真结果表明了改进方法的有效性.     

四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.     

基于扩张状态观测的机器人分散鲁棒跟踪控制

针对模型不确定性多关节机器人的轨迹跟踪控制问题, 提出一种基于扩张状态观测补偿的关节独立分散鲁棒控制方法. 设计多个并联的扩张状态观测器, 分别对每个独立关节的未知模型动态与外部扰动进行动态估计和补偿, 采取非线性状态反馈控制以提高系统的控制性能. 各个关节的控制完全独立, 因而控制器结构简单、可靠、易于实现. 对所设计的关节分散鲁棒控制器的 Lyapunov 稳定性进行了分析, 证明系统是指数收敛全局一致最终有界稳定的. 对 PUMA560 机械手的大量控制仿真验证了本文方法的有效性.     

基于扩张状态观测器的车辆横摆稳定模型预测控制器设计

针对车辆横摆稳定性控制问题,本文提出一种基于扩张状态观测器的线性模型预测控制器设计方法.首先,将非线性车辆模型线性化,建立带有模型误差干扰项的线性模型,其中线性化导致的模型误差采用扩张状态观测器估计得到,并证明了观测器的稳定性.然后基于此模型设计线性预测控制器,近似实现了非线性预测控制器的控制效果,同时降低了计算量.最后,通过不同路况下的仿真实验结果,验证了所提方法的计算性能和控制效果.     

基于扩张状态观测器的分散模型预测控制

针对复杂关联系统中分散控制方法无法有效解决子系统间的耦合和干扰问题, 提出一种基于扩张状态观测器的分散模型预测控制算法. 首先将复杂关联系统分解为多个状态维数较低、控制变量较少的子系统, 并为每个子系统设计本地预测控制器; 然后, 采用扩张状态观测器对子系统的耦合项以及干扰项进行估计, 进而利用估计值对子系统进行前馈补偿, 从而降低复杂关联系统的计算复杂度, 提高系统的稳定性和抗干扰能力; 最后, 利用液位控制系统验证了所提出算法的有效性.

     

航天器姿态自抗扰控制

为抑制航天器自身结构参数变化和内外扰动对姿态控制精度和姿态稳定度的影响, 设计了航天器姿态自抗扰控制器. 自抗扰控制器(ADRC)由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和姿态反馈控制器(AFC)3部分组成.跟踪微分器负责安排姿态指令过渡过程, 并提取其微分信号. 扩张状态观测器(ESO)充分利用姿态敏感器与速率陀螺的量测信息, 可对航天器姿态及内部和外部干扰进行观测. 姿态反馈控制器则在补偿ESO估计的干扰的同时,实现航天器的姿态控制. 与已有研究相比, 扩张状态观测器采用复合量测信息对状态估计进行校正, 性能较好. 而自抗扰控制器只采用一个环路即可实现姿态控制及干扰补偿, 结构简单. 对某航天器姿态控制系统的仿真结果表明,以上自抗扰控制器是可行的.     

Model‐assisted extended state observer and dynamic surface control–based trajectory tracking for quadrotors via output‐feedback mechanism

In this paper, an output‐feedback trajectory tracking controller for quadrotors is presented by integrating a model‐assisted extended state observer (ESO) with dynamic surface control. The quadrotor dynamics are described by translational and rotational loops with lumped disturbances to promote the hierarchical control design. Then, by exploiting the structural property of the quadrotor, a model information–assisted high‐order ESO that relies only on position measurements is designed to estimate not only the unmeasurable states but also the lumped disturbances in the rotational loop. In addition, to account for the problem of “explosion of complexity” inherent in hierarchical control, the output feedback–based trajectory tracking and attitude stabilization laws are respectively synthesized by utilizing dynamic surface control and the corresponding estimated signals provided by the ESO. The stability analysis is given, showing that the output‐feedback trajectory tracking controller can ensure the ultimate boundedness of all signals in the closed‐loop system and make the tracking errors arbitrarily small. Finally, flight simulations with respect to an 8‐shaped trajectory command are performed to verify the effectiveness of the proposed scheme in obtaining the stable and accurate trajectory tracking using position measurements only.     

基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能, 本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略. 论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型, 根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律, 设计了位置跟踪控制器, 所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器, 并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛. 为了进一步提高系统的抗扰动性能, 本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿. 然后, 文章对系统整体进行了稳定性证明. 最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证. 结果表明, 该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快, 对外部干扰具有强鲁棒性.     

Altitude control for flexible wing unmanned aerial vehicle based on active disturbance rejection control and feedforward compensation

For achieving the accurate trajectory tracking of the flexible wing unmanned aerial vehicle in the complicated missions, especially the vertical component, a feedforward compensation unit–based active disturbance rejection control (ADRC) is proposed. In ADRC, the internal dynamics and complicated influence of the total disturbance will be estimated and dynamically compensated by extended state observer (ESO). It puts a very high request on the observation ability of ESO with the unpredictable external disturbance, complex internal coupling influence, and the strong nonlinear characteristic of the proposed system. For this reason, by deeply analyzing the model of this system, the varying attitude influence on the altitude control will be deduced. Then, this influence will be compensated previously by a feedforward compensation unit. Through the previous compensation of the calculable part of the internal dynamics and total disturbance, the burden of ESO can be reduced largely. In this way, it improves the control effect of the ADRC with better observation precision of ESO. After that, based on the hardware‐in‐the‐loop simulation, the effectiveness of the proposed method is verified completely with the complicated flight missions. The robustness of the control effect and observation ability of ESO are also verified by the Monte Carlo simulation. At last, the results of actual flight experiment prove the advancement and practicability of the proposed ADRC method.     

An integrated approach to hypersonic entry attitude control

This paper presents an integrated approach based on dynamic inversion(DI)and active disturbance rejection control(ADRC)to the entry attitude control of a generic hypersonic vehicle(GHV).DI is frstly used to cancel the nonlinearities of the GHV entry model to construct a basic attitude controller.To enhance the control performance and system robustness to inevitable disturbances,ADRC techniques,including the arranged transient process(ATP),nonlinear feedback(NF),and most importantly the extended state observer(ESO),are integrated with the basic DI controller.As one primary task,the stability and estimation error of the second-order nonlinear ESO are analyzed from a brand new perspective:the nonlinear ESO is treated as a specifc form of forced Li′enard system.Abundant qualitative properties of the Li′enard system are utilized to yield comprehensive theorems on nonlinear ESO solution behaviors,such as the boundedness,convergence,and existence of periodic solutions.Phase portraits of ESO estimation error dynamics are given to validate our analysis.At last,three groups of simulations,including comparative simulations with modeling errors,Monte Carlo runs with parametric uncertainties,and a six degrees-of-freedom reference entry trajectory tracking are executed,which demonstrate the superiority of the proposed integrated controller over the basic DI controller.     

A Novel Robust Attitude Control for Quadrotor Aircraft Subject to Actuator Faults and Wind Gusts

A novel robust fault tolerant controller is developed for the problem of attitude control of a quadrotor aircraft in the presence of actuator faults and wind gusts in this paper. Firstly, a dynamical system of the quadrotor taking into account aerodynamical effects induced by lateral wind and actuator faults is considered using the Newton-Euler approach. Then, based on active disturbance rejection control (ADRC), the fault tolerant controller is proposed to recover faulty system and reject perturbations. The developed controller takes wind gusts, actuator faults and measurement noises as total perturbations which are estimated by improved extended state observer (ESO) and compensated by nonlinear feedback control law. So, the developed robust fault tolerant controller can successfully accomplish the tracking of the desired output values. Finally, some simulation studies are given to illustrate the effectiveness of fault recovery of the proposed scheme and also its ability to attenuate external disturbances that are introduced from environmental causes such as wind gusts and measurement noises.      

缸内直喷汽油机的自抗扰轨压跟踪控制器设计

获得期望的共轨压力是保证缸内直喷发动机(GDI)稳定工作和喷油量精确控制的一个重要前提. 本文针对缸内直喷汽油发动机轨压控制问题, 首先通过动力学分析建立了共轨燃油喷射系统的数学模型; 由于系统中存在有较强的非线性和不确定性, 采用基于模型但对模型的精确形式依赖较小的自抗扰控制技术设计轨压跟踪控制器,其中线性扩张状态观测器(ESO) 对系统存在的总扰动和不确定性进行了估计, 非线性误差反馈控制(NLSEF) 则采用反馈补偿实现扰动的抑制. 最后, 通过给定不同的参考轨压对控制器的有效性进行验证, 仿真结果表明控制性能是满意的.     

线性自抗扰控制器的稳定性研究

研究了线性扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)的估计能力,并且分析了在线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control, LADRC)下闭环系统的稳定性. 对于系统模型未知的情形, 给出了线性扩张观测器估计误差有界的证明, 并通过分析得出了如下结论: 在扩张状态观测器跟踪误差趋于零的前提下, 在线性自抗扰控制下的闭环系统可以实现对设定信号的精确跟踪以及输入-输出有界(Bounded input and bounded output, BIBO)稳定.