控压钻井井下气侵工况的自适应参数及状态估计

针对控压钻井过程中井下可能发生气侵的特殊工况,提出一种可在异常工况下估计井底压力,并借此判断异常工况的方法.首先,基于简化的漂移通量模型,在传统控压钻井水力学模型中添加气体膨胀项,建立控压钻井气液两相流模型;其次,将井下环空摩擦积分和井底气侵量视为未知参数,将井底流量视为未知状态,设计一种可对未知参数以及未知状态进行联合估计的自适应观测器,并以此为基础估计井底压力;最后,通过仿真实验验证所提方法的有效性.仿真结果表明,所建气液两相流模型可在井下发生气侵时模拟井底压力变化,且所提观测器能实时准确地跟踪井底流量及压力变化.     

控压钻井系统井下状态估计及参数校正方法

为克服控压钻井系统建模时的参数不确定性问题,基于经典的控压钻井水力学模型,使用坐标变换方法建立了一种可适应井下不确定摩擦积分和泥浆密度的自适应观测器,并在钻井过程中估计井底压力和井底流量。同时,针对模型中存在建模误差以及传输过程存在不确定时滞的特点,从最小二乘算法出发,通过构造广义参数,提出了一种基于多输入单输出系统的不确定时滞和参数同时辨识的算法,利用滞后的井底压力测量数据对建模参数进行辨识校正,从而提高自适应观测器的估计精度。仿真结果表明,在钻井系统存在建模误差的情况下,将辨识算法与自适应观测器相结合,可以有效校正模型参数并准确估计井底压力和流量。     

一类非线性系统的自适应观测器设计

在故障诊断应用中, 状态方程中的未知参数和输出方程中的未知参数分别表征执行机构故障和传感器故障, 所以研究状态方程和输出方程同时含有未知参数的自适应观测器有着实际的应用意义. 本文基于高增益观测器和自适应估计理论, 针对状态方程和输出方程同时含有未知参数的一类一致可观的非线性系统, 用构造性方法设计了一种联合估计状态和未知参数的自适应观测器. 该自适应观测器的参数估计采用时变增益矩阵, 结构形式及参数设置简单. 给出了使该自适应观测器满足全局指数收敛性的持续激励条件, 并在理论上简洁地证明了该自适应观测器的全局指数收敛性. 数值仿真结果表明该自适应观测器具有良好的快速收敛性、跟踪性等期望性能.     

非线性不确定系统的自适应观测器设计

非线性状态观测器可改善过程控制性能和故障诊断,针对一类参数不确定非线性系统提出了自适应观测器设计方法。通过微分同胚变换,将非线性系统转换为仅依赖原系统输入、输出的自适应观测器规范形式。利用自适应调节器估计未知参数,用构造的观测器实现状态的重构。Lyapunov稳定性理论分析了状态观测误差动态方程的稳定性,用来证明所设计的自适应观测器为全局渐近收敛的,既实现了系统状态的渐近重构又确保了在持续激励条件下未知参数估计以指数快速收敛到真值,并通过仿真试验。仿真结果表明提出方法的有效性。     

基于辅助输出的线性系统状态和未知输入同时估计方法

在未知输入观测器匹配条件不满足的情况下, 针对一类线性时不变系统, 研究了同时估计系统 状态和未知输入的问题. 首先, 基于可测输出对未知输入的相关度的概念, 给出了辅助输出 的构造方法, 使得匹配条件得以满足. 为了处理辅助输出中的未知信息, 提出了一种高增益 观测器设计方法, 它不仅能估计辅助输出, 而且还能估计辅助输出的导数. 然后, 基于辅助 输出的估计值, 提出了一种降维观测器设计方法, 可以在不受未知输入影响的情况下估计系统 的状态; 接下来, 基于状态和辅助输出及其导数的估计值, 给出了未知输入估计. 最后, 对一个五 阶系统进行了数字仿真, 仿真结果表明所提出的方法是有效的.     

基于观测器的不确定非线性系统的自适应鲁棒模糊控制

针对单输入单输出不确定非线性系统提出了一种自适应鲁棒模糊控制算法.该算法通过设计观测器来估计系统的状态向量,因此不要求假设系统的状态向量是可测的.在这个算法中,主要的假设为最优逼近参数向量与标称参数向量之差的范数和逼近误差的界限是未知的.通过只对未知界限估计的调节,该算法减轻了在线计算量并且提高了系统的鲁棒性.所设计的自适应鲁棒模糊控制算法保证了闭环系统的所有信号是一致有界的并且跟踪误差估计收敛到一个小的零邻域内.仿真例子证实了所提方法的可行性.     

基于扩张状态观测器的永磁同步电机重复学习控制

本文针对非参数不确定永磁同步电机系统,提出一种基于扩张状态观测器的重复学习控制方法,实现对周期期望轨迹的高精度跟踪.首先,将永磁同步电机中的非参数不确定性分为周期不确定与非周期不确定两部分.其次,构造包含周期不确定的未知期望控制输入,并设计重复学习律估计未知期望控制输入并补偿系统周期不确定.在此基础上,设计扩张状态观测器,估计系统未知状态和补偿非周期性不确定,进而提高系统鲁棒性.与已有的部分限幅学习律相比,本文提出的全限幅重复学习律可以保证估计值的连续性且能够被限制在指定的界内.最后,基于李雅普诺夫方法分析误差的收敛性能,并给出仿真和实验结果验证本文所提方法的有效性.     

状态估计与未知输入和可测噪声同时重构方法

针对一类不确定线性系统,讨论了状态估计及未知输入和可测噪声重构方法。首先,对仅具有未知输入的线性系统,讨论了观测器匹配条件不满足前提下的状态估计和未知输入重构问题;通过设计降维观测器和高阶滑模观测器,提出一种未知输入代数重构方法;然后,将以上结论上升到具有未知输入和可测噪声的线性系统,以此提出了状态估计及未知输入和可测噪声同时重构的方法;最后,通过对飞行器模型进行仿真,验证了所提出方法的有效性。     

匹配条件不满足时线性系统未知输入观测器设计

针对一类不满足观测器匹配条件的线性系统,讨论了未知输入观测器设计方法.首先,为了突破观测器匹配条件的限制,提出了一种与未知输入相对阶无关的辅助输出构造方法.然后,把未知输入看作系统状态的一部分,将原系统转化为一个不含未知输入的增维线性描述系统.针对这样的系统转化,对一系列等价前提条件进行了详细的讨论.之后,针对该增维线性描述系统,构造Luenberger观测器来估计原系统的状态和未知输入.同时,借助于高阶滑模微分器,来估计辅助输出中的未知信号.最后,对一个单连杆柔性机械手模型进行了数值仿真,仿真结果表明了方法的有效性.     

动力定位船舶自适应滑模无源观测器设计

针对带有模型参数不确定性的动力定位船舶,提出一种动力定位船全速域自适应滑模无源观测器,解决了现有观测器只能应用于低速作业动力定位系统的问题.采用速度估计误差作为滑模面,设计切换自适应律估计模型不确定项上界,保证了观测器增益的有界性和系统鲁棒性.对速度估计回路的无源性进行了分析,并证明了观测器的稳定性.最后利用船舶动力定位系统半实物仿真平台,验证了算法的有效性.     

Redesign of adaptive observers for improved parameter identification in nonlinear systems

We propose a method for redesigning adaptive observers for nonlinear systems. The redesign uses an adaptive law that is based on delayed observers. This increases the computational burden, but gives significantly better parameter identification and robustness properties. In particular, given that a special persistency of excitation condition is satisfied, we prove uniform global asymptotic stability and semi-global exponential stability of the origin of the state and parameter estimation error, and give explicit lower bounds on the convergence rate of both the state and parameter estimation error dynamics. For initial conditions with a known upper bound, we prove tunable exponential convergence rate. To illustrate the use of the proposed method, we apply it to estimate the unmeasured flow rate and the uncertain friction parameters in a model of a managed pressure drilling system. The simulation results clearly show the improved performance of the redesigned adaptive observer compared to a traditional design.     

基于自适应滑模观测器的不匹配非线性系统执行器故障重构

针对一类含有未知干扰的不匹配非线性Lipschitz系统,提出了基于自适应滑模观测器的执行器故障重构方法.首先引入辅助输出矩阵,使得辅助输出系统的观测器匹配条件得以满足,同时设计了高增益观测器实现对未知辅助输出的精确估计;然后针对辅助输出系统建立故障重构滑模观测器,设计了自适应律在线修正滑模控制器增益,考虑故障上界未知的前提下,提出了观测器状态估计误差稳定的存在定理,运用Schur补引理将观测器反馈增益矩阵设计方法转化为求解线性矩阵不等式约束优化问题,同时引入线性变换矩阵,在故障上界未知的前提下设计了滑模控制增益,使得输出估计误差收敛稳定,确保了滑模运动在有限时间内发生,在此基础上利用等效控制输出误差注入原理实现了执行器故障重构;最后通过仿真算例验证了本文方法的有效性.     

Sliding-mode observers for systems with unknown inputs: A high-gain approach

Sliding-mode observers can be constructed for systems with unknown inputs if the so-called observer matching condition is satisfied. However, most systems do not satisfy this condition. To construct sliding-mode observers for systems that do not satisfy the observer matching condition, auxiliary outputs are generated using high-gain approximate differentiators and then employed in the design of sliding-mode observers. The state estimation error of the proposed high-gain approximate differentiator based sliding-mode observer is shown to be uniformly ultimately bounded with respect to a ball whose radius is a function of design parameters. Finally, the unknown input reconstruction using the proposed observer is analyzed and then illustrated with a numerical example.     

Robust adaptive observer for nonlinear systems with unmodeled dynamics

Unmodeled dynamics exist in almost all applications of observers due to the impossibility of using exact and detailed models. It is highly desired that the observers can dominate the effects of unmodeled dynamics independently to prevent the state estimations from diverging and to get the precise estimations. Based on adaptive nonlinear damping, this paper presents a robust adaptive observer for multiple-input multiple-output nonlinear systems with unknown parameters, uncertain nonlinearities, disturbances and unmodeled dynamics. The observer only has one adaptive parameter no matter how high the order of the system is and how many unknown parameters there are. With the proposed observer, neither estimating the unknown parameters or solving linear matrix inequalities is needed. It is shown that the state estimation error is uniformly bounded and can be made arbitrarily small.     

基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制

针对速度不可测的三自由度欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题,考虑船舶存在模型参数不确定项以及外界环境干扰未知情况,提出一种基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制策略.该策略构造扩张观测器估计船舶速度向量,利用神经网络算法逼近模型参数不确定项,然后采用动态面控制技术避免对虚拟控制律直接求导,简化控制律计算过程,并引入低频增益学习技术消除外界扰动导致控制信号产生高频振荡,最后选取李雅普诺夫函数证明该控制律能够保证船舶跟踪闭环系统中所有误差信号一致最终有界.仿真结果表明,本文所设计控制器对船舶模型参数不确定项及外界环境干扰具有较强的鲁棒性,能够实现对船舶轨迹的有效跟踪.     

An adaptive sliding mode observer for lithium-ion battery state of charge and state of health estimation in electric vehicles

As the demand for electric vehicle (EV)'s remaining operation range and power supply life, Lithium-ion (Li-ion) battery state of charge (SOC) and state of health (SOH) estimation are important in battery management system (BMS). In this paper, a proposed adaptive observer based on sliding mode method is used to estimate SOC and SOH of the Li-ion battery. An equivalent circuit model with two resistor and capacitor (RC) networks is established, and the model equations in specific structure with uncertainties are given and analyzed. The proposed adaptive sliding mode observer is applied to estimate SOC and SOH based on the established battery model with uncertainties, and it can avoid the chattering effects and improve the estimation performance. The experiment and simulation estimation results show that the proposed adaptive sliding mode observer has good performance and robustness on battery SOC and SOH estimation.     

Adaptive sliding mode observer‐based synchronization for uncertain chaotic systems

This paper investigates the synchronization problem for a class of uncertain chaotic systems. Only partial information of the system states is known. An adaptive sliding mode observer‐based slave system is designed to synchronize a given chaotic master system with unknown parameters and external disturbances. Based on the Lyapunov stability theorem, the global synchronization between the master and slave systems is ensured. Furthermore, the structure of the slave system is simple and the proposed adaptive sliding mode observer‐based synchronization scheme can be implemented without requiring a priori knowledge of upper bounds on the norm of the uncertainties and external disturbances. Simulation results demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed scheme. Copyright © 2010 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society