自抗扰控制对边界带有干扰的非线性sine-Gordon方程的镇定

本文讨论边界具有内部不确定和外部扰动的非线性sine-Gordon方程的镇定问题. 为处理sine-Gordon方程中的非线性项, 文章给出一个新的总扰动观测器在线估计未知扰动, 并通过自抗扰控制方法, 设计一个控制器使得在反馈控制中实时补偿(消除)总扰动. 闭环系统被证明适定的并且受控系统是指数稳定而扰动观测器是有界的. 数值模拟说明提出方法的有效性.     

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.     

AGC系统中的非线性观测器设计

AGC(自动发电控制)系统是一个十分复杂的系统,其具有严重的非线性,且输入(锅炉、轮机等动力产生部分)和输出(频率负载)均存在未知扰动,为了实现对发电系统的精确控制,设计出输入输出扰动的观测器显得尤为重要.在阐述了一种带有未知输入输出扰动的非线性观测器设计方法的同时,是对传统的只能观测输入环节中的未知扰动观测器的一大改进.通过对系统状态方程和输出方程的一系列解偶变换,将输入、输出扰动从系统中分离出来.解偶后,系统分为受扰子系统和无扰动子系统两部分,通过对无扰动子系统的分析,最终设计出输入输出未知扰动观测器.系统观测器增益矩阵则通过求解一个代数Riccati方程(ARE)得到.将设计出的观测器用于故障检测与隔离(FDI)并取得良好的效果.     

AGC系统中的非线性观测器设计

AGC（自动发电控制）系统是一个十分复杂的系统，其具有严重的非线性，且输入（锅炉、轮机等动力产生部分）和输出（频率负载）均存在未知扰动，为了实现对发电系统的精确控制，设计出输入输出扰动的观测器显得尤为重要。在阐述了一种带有未知输入输出扰动的非线性观测器设计方法的同时，是对传统的只能观测输入环节中的未知扰动观测器的一大改进。通过对系统状态方程和输出方程的一系列解偶变换，将输入、输出扰动从系统中分离出来。解偶后，系统分为受扰子系统和无扰动子系统两部分，通过对无扰动子系统的分析，最终设计出输入输出未知扰动观测器。系统观测器增益矩阵则通过求解一个代数Riccati方程（ARE）得到。将设计出的观测器用于故障检测与隔离（FDI）并取得良好的效果。     

具有非匹配扰动的非线性变参数系统模型参考跟踪控制

本文研究了一类含有非匹配扰动的非线性变参数系统的跟踪控制问题.首先,设计非线性扰动观测器用于估计系统所受到的未知扰动.其次,在前馈–反馈跟踪控制器中引入扰动补偿控制项,提出一种基于扰动观测器的跟踪控制策略.利用依赖于状态和时变参数的线性矩阵不等式,导出保证闭环系统输入–状态稳定的充分条件,进而运用平方和凸优化技术解析地构造出扰动观测器和跟踪控制器.通过理论证明,所设计的控制策略能够实现非线性变参数系统输出对参考模型输出的跟踪,消除输出通道中非匹配扰动的影响.最后,由数值仿真例子验证了所提方法的有效性.     

自抗扰控制对具边界扰动和区间内反阻尼的波动方程的镇定

本文讨论边界具有外部扰动和区域内具有反阻尼的一维波动方程的的镇定问题. 主要的方法是后退反演变换和自抗扰控制方法. 即通过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. 本文在扩张状态观测器中使用了两种增益调整策略——常数高增益与时变增益. 为避免常数高增益带来的峰值问题, 在控制环节中使用了饱和方法. 时变的增益可以在很大程度上减少扩张状态观测器中由于常数高增益引起的峰值问题同时可以达到完全消除干扰的镇定效果.     

一类严格反馈系统变比例增益精确微分补偿控制

针对包含不确定函数和未知外部扰动的一类严格反馈型非线性系统,提出基于精确扰动观测器的变比例增益自适应模糊控制器.系统中的未知不确定函数由模糊逻辑系统在线逼近,同时将模糊逻辑系统的逼近误差和未知外部扰动定义为总扰动,利用精确扰动观测器进行精确微分补偿控制. 将非线性函数应用于设计可调节的输出反馈增益,有效消除系统的稳态误差,使得系统跟踪误差可以控制在零的任意小邻域内.最后,通过Lyapunov定理证明闭环系统中所有信号均是有界的.数值仿真表明了所提出方案的有效性.     

非线性奇异系统的故障诊断与容错控制

本文针对一类非线性奇异系统进行了故障诊断与容错控制研究。首先通过设计观测器来观测系统的状态和故障,然后通过矩阵运算来消除故障,实现系统的容错控制。     

含不匹配扰动非严格反馈系统的输出反馈补偿控制

针对一类非严格反馈非线性系统,系统中包含不确定函数和未知外部扰动,提出一种带不匹配扰动补偿的输出反馈模糊控制器.采用模糊逻辑系统逼近未知的非线性函数,同时构造模糊状态观测器观测系统未知状态.考虑观测器和控制器会受到外部扰动和模糊逼近误差构成的不匹配总扰动信号影响,采用改进的扰动观测器对不匹配扰动进行估计和补偿,使扰动观测误差能够在有限时间内平缓地收敛到任意小的范围,消除不匹配扰动信号对模糊观测器设计的影响.同时在控制器设计中进行扰动的精确补偿,提高系统的抗扰动性.通过Lyapunov函数证明了闭环系统所有信号都是有界的.最后,通过数值仿真进一步验证了所提出方法的有效性.     

基于干扰抑制控制的飞行器姿态跟踪

本文针对飞行器姿态跟踪控制问题, 考虑系统的内部模型不确定性和外界扰动, 设计了使跟踪误差一致最终有界的控制器. 以四元数为姿态参数, 建立系统的非线性误差模型; 将控制系统分为内环观测器和外环控制器分别设计, 其中, 线性扩张状态观测器作为系统内环将实际系统补偿为标称模型, 而外环非线性控制器则用于镇定非线性标称系统. 最后, 利用Lyapunov理论得到了一致最终有界的稳定性结论, 并基于频域理论, 分析了线性扩张状态观测器阶次对系统性能的影响. 姿态跟踪实验表明, 本文设计的控制系统能够有效实现飞行器的姿态跟踪控制.     

基于NDO的潜艇反演滑模深度控制

针对潜艇变深运动与定深运动过程中存在模型非线性、强耦合和外界干扰不确定等问题,设计一种基于非线性干扰观测器(NDO)的反演滑模控制策略.利用NDO观测系统不确定性和外界干扰,通过选取设计参数,使观测误差指数收敛.针对潜艇垂直面控制系统双通道耦合的特点,采用艏舵控制深度,艉舵控制纵倾的策略.在深度和纵倾通道分别引入NDO后,采用反演法设计滑模控制器,基于李亚普诺夫稳定性理论证明闭环系统的全局渐近稳定性,实现对潜艇深度和纵倾的控制.仿真实验验证了该控制策略的有效性.     

飞行模拟转台非线性干扰观测器反步滑模控制器设计

本文针对考虑不确定性的飞行模拟转台伺服系统,提出了一种基于非线性干扰观测器的反步全局滑模补偿控制方法。该方法采用反步控制方法设计转速期望虚拟控制,然后利用非线性干扰观测器观测系统不确定干扰,进而对引入非线性干扰观测器的系统设计自适应全局滑模控制器,实现了飞行模拟转台伺服系统期望转角信号的鲁棒跟踪控制,仿真结果表明,该方法控制效果良好,具有很好的工程应用价值。     

基于非线性块反步控制的无人直升机航迹跟踪算法研究

针对小型无人直升机系统高度非线性、强耦合和易受内外部扰动干扰的特点,提出了一种非线性块反步控制与广义比例积分观测器相结合的控制策略。该方法采用广义比例积分观测器构建多阶观测回路对系统状态量、扰动量及扰动量的多阶导数进行估计,然后将扰动的估计值代入到直升机系统模型中,采用反步法回归递推得到直升机的跟踪飞行控制律。通过对阶跃信号和复杂“8”字形航迹的航迹跟踪仿真,结果表明：在多种内外部扰动影响下,所设计的控制律具有良好的动态响应和航迹跟踪性能以及抗干扰能力。相较于常规非线性扰动观测器,广义比例积分观测器对高阶和快速时变扰动具有更高的预估精度,可以达到更好的扰动抑制效果。     

基于干扰观测器的终端滑模控制研究

针对一类非线性不确定系统,提出一种带干扰观测器的终端滑模控制TSMC方案.在不考虑外部干扰的影响下,设计了终端滑模控制,保证系统状态在有限时间内收敛到零;当存在干扰时,构造了非线性干扰观测器系统,以在线逼近未知外部干扰,消除其影响.考虑输人通道的不确定性,采用自适应方法在线逼近不确定的上界,并采用Lyapunov方法严格证明了自适应闭环系统的稳定性.对一级倒立摆系统进行仿真,仿真结果表明了所设计控制方案的有效性.     

Composite Hierarchical Anti-Disturbance Control of a Quadrotor UAV in the Presence of Matched and Mismatched Disturbances

Quadrotor helicopter is an unstable system subject to matched and mismatched disturbances. To stabilize the quadrotor dynamics in the presence of these disturbances, the application of a composite hierarchical anti-disturbance controller, combining a sliding mode controller and a disturbance observer, is presented in this paper. The disturbance observer is used to attenuate the effect of constant and slow time-varying disturbances. Whereas, the sliding mode controller is used to attenuate the effect of fast time-varying disturbances. In addition, sliding mode control attenuates the effect of the disturbance observer estimation errors of the constant and slow time-varying disturbances. In this approach, the upper bounds of the disturbance observer estimation errors are required instead of the disturbances’ upper bounds. The disturbance observer estimation errors are found to be bounded when the disturbance observer dynamics are asymptotically stable and the disturbance derivatives and initial disturbances are bounded. Moreover, due to the highly nonlinear nature of the quadrotor dynamics, the upper bounds of a part of the quadrotor states and disturbance estimates are required. The nonlinear terms in the rotational dynamics are considered as disturbances, part of which is mismatched. This assumption simplifies the control system design by dividing the quadrotor’s model into a position subsystem and a heading subsystem, and designing a controller for each separately. The stability analysis of the closed loop system is carried out using Lyapunov stability arguments. The effectiveness of the developed control scheme is demonstrated in simulations by applying different sources of disturbances such as wind gusts and partial actuator failure.     

基于扰动观测器的机械臂自适应反演滑模控制

机械臂的动力学模型通常包含一定的结构不确定性,并受到外界未知干扰的影响。针对现有模型的不确定性特点,提出了一种基于非线性扰动观测器的自适应反演滑模控制方法,解决机械臂的轨迹跟踪控制问题。对于外界干扰,利用非线性扰动观测器进行观测补偿,无需上界先验知识;对于结构不确定性,引入反演滑模控制,同时设计自适应律,保证闭环系统的稳定性并增强系统的动态适应性。仿真结果证明,所提出的方法可以有效克服系统不确定性,降低控制输入信号的抖振,最终实现期望轨迹的快速精确跟踪。     

自适应时变Terminal滑模控制研究

针对Terminal滑模控制到达阶段鲁棒性不强的问题,提出了时变Terminal滑模控制方法。分析Terminal滑模面的设计参数对系统性能的影响,提出一种非线性时变Terminal滑模面的设计方法。为了消除多输入多输出(MIMO)非线性系统的不确定,构建动态干扰观测器系统,根据干扰观测误差在线调节参数,从而在线逼近外部干扰,证明了逼近误差一致最终有界。采用倒立摆系统进行仿真验证,提出的自适应时变Terminal滑模控制方法比传统的PID控制镇定时间缩短80%,且无超调。仿真结果表明,所提方法可以用于MIMO非线性系统的控制。     

基于非线性干扰观测器的减摇鳍滑模反演控制

利用一种非线性干扰观测器观测减摇鳍系统的不确定性和随机海浪干扰,通过选择设计参数使观测误差指数收敛.针对引入非线性干扰观测器后的系统采用滑模反演法设计控制器,控制律的设计保证了闭环系统的稳定性.仿真结果表明,在不同浪向角和航速的各种海况下采用该控制策略,系统均能取得较好的减摇效果,同时能很好地克服对象的不确定性和随机海浪干扰,鲁棒性较强.     

带有干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

针对高超声速飞行器非线性和易受干扰影响的特点,提出了带有扩张状态干扰观测器的连续滑模控制方法.在对飞行器非线性模型做线性化处理的基础上,设计了一种连续时间滑模控制器.该控制器在对不确定性和未知动态保持鲁棒性的基础上,消除了传统滑模中存在的抖振现象.对系统中存在的外加干扰,设计了扩张状态干扰观测器.将外加干扰作为系统的一个状态变量被估计出来,再将估计值用作滑模控制器的补偿量,进而达到消除外干扰的目的.在高超声速飞行器巡航飞行状态的基础上进行了仿真.仿真结果表明,所提出的方案能够满足控制要求.     

Stability analysis of a control system with nonlinear input uncertainty based on disturbance observer

In disturbance observer (DO)‐based control, control input attenuates a disturbance using observer output. Thus, the input may not achieve the attenuation if the input term includes uncertainty. Therefore, in order to correctly suppress the disturbance, it is essential to consider the uncertainty existing in the input term, and thus this article focuses on a nonlinear uncertainty in the input term. This article analyzes the stability and robustness of a DO‐based nonlinear control system with both the disturbance and the input uncertainty. We address the case that the disturbance and the uncertainty depend on time and states of a controlled system. The disturbance and the uncertainty are gathered in an integrated disturbance, and the integrated disturbance depends on many variables: the states, the control input, and the time. Therefore, a norm estimations for the disturbance and a time variation of the disturbance is difficult without knowledge of the state trajectory. Hence, a slope‐restriction for the disturbance is used for the stability analysis. Based on the mathematical analysis, we show input‐to‐state stability conditions due to extend the application class of the DO‐based controller to a control system with the disturbance and the nonlinear input uncertainty. The analytical results are verified by numerical simulations.