电液负载模拟器的二次型最优控制算法

电液负载模拟器属于被动式加载系统,受载对象的自主运动和加载装置的运动相互耦合,所产生的位置扰动会引起多余力。为抑制多余力建立了电液负载模拟器的状态空间模型,利用线性二次型最优控制理论设计了最优控制算法,算法具有最优状态反馈、最优前馈补偿和外扰补偿,使得电液负载模拟器的性能有明显提高。电液负载模拟器的仿真计算结果表明,利用最优控制算法设计的电液负载模拟器较好地抑制了多余力,从而较好地跟踪力指令。     

高精度轨迹跟踪的6-PRRS并联机器人自抗扰控制研究

针对6-PRRS并联机器人控制系统的非线性、耦合等特性，采用分散控制策略。在关节空间设计强鲁棒性的自抗扰控制器对其进行控制．该自抗扰控制器由非线性跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性PD和扰动补偿4部分组成．具有模型补偿功能的扩张状态观测器可以获得系统的状态估计和未知外扰的实时作用量，使系统性能得到有效补偿．该控制器以离散的形式进行设计，易于工程实现．仿真结果证明了所提出的控制策略具有强鲁棒性，跟踪性能良好．     

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.     

高动态离心机系统的自抗扰控制设计

针对传统PID在控制高速精密离心机系统时难以满足其高动态过程的要求,对系统目标过渡过程进行安排并设计了自抗扰控制器.所提出的自抗扰控制器包括3个部分:跟踪微分器、扩张状态观测器和误差反馈控制器.由于离心机在启动和制动阶段,系统状态会经历一个快速变化的过程,所以在离心机系统动态变化阶段采用跟踪微分器对目标函数进行过渡过程安排,防止系统出现过大超调;并且设计了扩张状态观测器对系统未知干扰进行估计和补偿;补偿后采用误差反馈控制器实现离心机系统高动态过程的跟踪控制.最后通过对自抗扰控制进行参数整定,使得系统满足所提出的各项性能指标要求.仿真结果验证了相比于传统PID控制,所提出的自抗扰控制器在超调量,调节时间以及稳态控制精度等性能指标上具有优越性.     

推力矢量可倾转四旋翼自抗扰飞行控制方法

针对常规四旋翼难以实现位置和姿态独立控制问题, 研究了一种具有全向推力矢量的可倾转四旋翼飞行 器系统. 为克服系统的大范围不确定性、强耦合性及外部风扰影响, 设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控 制器. 通过建立风扰下的系统动力学模型, 分析阵风对旋翼气动力的影响. 接着将系统解耦为六通道单回路结构并 分别设计自抗扰控制器, 引入扩张状态观测器估计系统的内外扰动, 利用非线性状态误差反馈律输出扰动补偿控 制. 在此基础上, 通过变量代换线性化控制分配矩阵, 将控制器输出直接映射到旋翼转速和倾转角. 仿真结果表明, 所设计的自抗扰飞行控制器具有良好的位置和姿态独立控制能力, 能够有效地估计和补偿紊流风扰动, 同时对系统 的部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

压电驱动纳米定位台的线性自抗扰控制

压电驱动的纳米定位系统,磁滞严重降低其定位精度.基于磁滞逆模型的定位控制方法,可提高定位精度.然而,因其对模型依赖大,无法在内、外扰动因素存在时,仍保证良好的定位效果.为此,视磁滞为干扰,设计不基于磁滞及定位系统精确数学模型的自抗扰控制,利用扩张状态观测器主动估计磁滞,并实时补偿之,以保证定位精度.本文分析了扩张状态观测器的收敛性、闭环系统的稳定性;讨论了自抗扰控制参数与纳米定位系统动态响应间的关系;对比了PI控制和自抗扰控制的动态响应、时间与误差绝对值乘积积分、平均绝对误差和均方根误差,数值和实验结果均表明自抗扰控制优于PI控制,证实了自抗扰控制可主动估计磁滞、内部不确定性和外部扰动,在其降低定位精度之前即被补偿、保证良好的定位控制效果.     

抄纸过程水分定量自抗扰控制仿真研究

针对抄纸过程水分定量系统控制中的强耦合、时滞、不确定等特点,在常规PID控制的基础上提出了自抗扰控制这种新的法,方法的特点是可以动态补偿系统模型扰动和外扰,即克服了常规PID控制中存在的快速性与超调之间的矛盾.自抗扰控制器由微分一跟踪器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈三部分组成.最后对自抗扰控制和PID控制算法分别进行了仿真.并分析比较了这两种不同控制算法的仿真效果,结果表明自抗扰控制系统具有良好的动态性能,控制器具有很强的鲁棒性.     

基于自抗扰技术的光伏发电并网控制系统

单相可再生能源并网发电系统是一非线性系统,受电网和环境的影响,系统存在较强的外部干扰和非线性不确定因素.针对系统的工作特点,采用自抗扰控制技术来实现对系统的有效控制.系统利用自抗扰控制器(ADRC)的扩张状态观测器,来对系统模型中的不确定因素和外扰进行动态观测,使系统对扰动具有很好的适应能力.并在系统的扩张状态观测器和非线性状态误差控制器中引入非线性幂指数函数,使系统运算变得更加简单.仿真结果表明所设计的控制器具有良好的动态性能和较强的鲁棒性,即本文所设计的系统是可行的.     

不同重力环境的空间机械臂自抗扰轨迹跟踪控制

针对空间机械臂在地面装调与空间应用时,由于重力环境变化导致机械臂模型发生变化的问题,提出了一种自抗扰控制算法,用于完成空间机械臂轨迹跟踪控制的任务.该算法通过将系统模型及未知外扰作为系统的总和扰动,并利用扩张状态观测器对该扰动进行观测且给予补偿,从而提高了系统抗扰的性能.当机械臂模型随重力环境变化而发生变化时,使用同一个自抗扰控制器对其末端轨迹进行控制,均能取得较好的控制效果.通过对系统的稳定性进行分析,证明了所设计控制器的有效性.将仿真结果与PD控制及自适应鲁棒控制做比较,结果表明该控制算法不仅能适应机械臂模型的变化而且还能有效抵抗系统的扰动,从而使系统具有较强的鲁棒性.     

基于自适应线性自抗扰控制的飞机防滑刹车系统重构控制

飞机防滑刹车系统是确保飞机安全起飞、着陆和滑跑的重要航空机电系统. 除了其动力学中的强非线 性、强耦合以及参数时变外, 潜在的执行器等组件故障也会严重降低防滑刹车系统的安全性与可靠性. 为满足故障 及扰动状态下系统的性能需求, 本文提出了一种基于自适应线性自抗扰控制的飞机防滑刹车系统重构控制方法. 根据飞机防滑刹车系统的组成结构及工作原理对其进行数学建模, 并对执行器注入故障因子. 设计了自适应线性 自抗扰重构控制器, 同时分析了整个闭环系统的稳定性. 该控制器将组件故障、外部干扰以及测量噪声等视为总扰 动, 根据状态误差反馈和系统输出信息, 利用BP神经网络在线优化更新扩张状态观测器和状态误差反馈律参数, 从 而更精确地观测与补偿总扰动带来的不利影响. 最后, 在不同跑道环境下的仿真结果验证了所提出重构控制器的适 应性和鲁棒性.     

基于优化性能的重复控制器设计

提出一种基于优化性能的重复控制器设计方法.首先,对重复控制器中时滞环节的时延进行修正,以补偿由于低通滤波器的引入所带来的相位滞后,进而提高系统在参考/干扰信号基频处的增益,增强系统对基频信号的跟踪/抑制能力;其次,在重复控制器中加入超前校正环节,不仅拓宽了低通滤波器的带宽,而且提高了系统的高频增益,使得系统在高次谐波处的性能得以大幅提升.重复控制器的参数通过求解2个优化问题得到.在保证系统稳定的前提下,提出的设计方法最大限度地提升了系统的性能.针对光盘驱动器控制系统的仿真结果证实了该设计方法的有效性.     

Optimal feedforward compensators for systems with right-half plane zeros

Feedforward from measurable disturbances is a powerful complement to feedback control to improve disturbance rejection capability. Recent works have remarked the necessity of a design strategy for those cases where the ideal feedforward controller is not realizable. In this paper, a simple shaping design procedure is presented together with straightforward rules to obtain optimal feedforward controllers for the case when the ideal compensator is not realizable due to right-half plane zeros in the process dynamics. Finally, some simulations and a robustness analysis demonstrate the benefits of the proposed tuning rules.     

基于动态补偿的线性系统最优干扰抑制

本文针对受外部干扰的线性时不变系统研究了基于动态补偿的最优干扰抑制问题,其中干扰信号为已知动态特性的扰动信号.首先,将原系统与扰动系统联立构成增广系统,进而转化为无扰动的标准线性二次最优问题.其次,给出了经具有适当动态阶的补偿器补偿后的闭环系统渐近稳定并且相关的Lyapunov方程正定对称解存在的条件,进一步给定的二次性能指标可写成一个与该解和闭环系统初值相关的表达式.为了得到系统的最优解,将该Lyapunov方程转化为一个双线性矩阵不等式形式,并给出了相应的路径跟踪算法以求得性能指标最小值以及补偿器参数.最后,通过数值算例说明应用本文方法可以不仅能够最小化线性二次指标,而且能够使得系统的干扰得到抑制.     

Optimal damping of forced oscillations in discrete-time systems

In this paper we consider a linear discrete-time control system affected by an additive sinusoidal disturbance with known frequencies but unknown amplitudes and phases. The problem is to damp this forced oscillation in an optimal fashion. We show that the natural solution from the point of view of optimal control is neither robust with respect to errors in the frequencies, and thus not optimal in practice, nor independent of the unknown amplitudes and phases. The main result of this paper concerns the existence and design of a realizable, robust optimal regulator, which is universal in the sense that it does not depend on the unknown amplitudes and phases and is optimal for all choices of such parameters. The regulator allows for a considerable degree of design freedom to satisfy other design specifications. Finally, it is shown that this regulator is optimal also for a wide class of stochastic control problems     

强抗扰恒值系统的逆LQ设计

本文着重讨论标量恒值系统在物理约束下的动态抗扰控制问题,提出一种能有效提高系 统动态抗扰能力的控制装置--瞬态补偿器;介绍了一种基于LQ最优控制逆问题的强抗扰 (指在一类外扰作用下动态误差小,且具有输出调节性质)控制器设计方法.通过对一调速系 统的实例研究,表明这种控制器可以大幅度地改善动态速降;无静差且稳定性充裕;物理实验 结果满意.     

Optimal tracking control for nonlinear large-scale systems with persistent disturbances

This paper studies the optimal control with zero steady-state error problem for nonlinear large-scale systems affected by external persistent disturbances. The nonlinear large-scale system is transformed into N nonlinear subsystems with interconnect terms. Based on the internal model principle, a disturbance compensator is constructed such that the ith subsystem with external persistent disturbances is transformed into an augmented subsystem without disturbances. According to the sensitivity approach, the optimal tracking control law for the ith nonlinear subsystem can be obtained. The optimal tracking control law for the nonlinear large-scale systems can be obtained. A numerical simulation shows that the method is effective.     

时滞系统在高速网络下的最优扰动抑制

研究在含有控制时滞与测量时滞的系统在高速通讯网络下最优扰动抑制问题. 首先建立在高速通讯网络下含有控制时滞与测量时滞系统的离散化数学模型, 利用模型转换将时滞系统转化为形式上的无时滞系统. 然后通过求解离散Riccati方程和Stein方程设计含有状态反馈、扰动前馈和控制记忆项的最优控制律, 前馈项和控制记忆项分别补偿了扰动和控制时滞对系统性能的影响. 通过构造降维扰动状态观测器, 设计了含扰动前馈、输出反馈及 控制记忆项的动态控制律, 解决了前馈补偿器的物理不可实现问题. 仿真实例验证了所设计的最优控制律的有效性.     

Design of an Optimal Fuzzy Sliding Mode Control using Scalar Sign Function

The purpose of this paper is to present a new design for an optimal fuzzy sliding mode control based on a modified parallel distributed compensator and using a scalar sign function method. The proposed fuzzy sliding mode control uses a modified parallel distributed compensator scheme to find the optimal gains. To do this, the control gains are not considered constant through the linearized subsystem. Among these, we find state feedback gains, which are determined in offline mode using some prescribed performance criteria. Moreover, the fuzzy sliding surface of the system is designed using a stable eigenvector and the scalar sign function. The advantages of the proposed design are minimum energy control effort, faster response, and zero steady‐state error. We analyze and test the performance and stability of the new optimal fuzzy sliding mode control using simulation results that show that the proposed approach is very effective.     

Optimal rejection of persistent bounded disturbances

In this paper, we formulate the problem of optimal disturbance rejection in the case where the disturbance is generated as the output of a stable system in response to an input which is assumed to be of unit amplitude, but is otherwise arbitrary. The objective is to choose a controller that minimizes the maximum amplitude of the plant output in response to such a disturbance. Mathematically, this corresponds to requiring uniformly good disturbance rejection over all time. Since the problem of optimal tracking is equivalent to that of optimal disturbance rejection if a feedback controller is used (see [7, sect. 5.6]), the theory presented here can also be used to design optimal controllers that achieve uniformly good tracking over all time rather than a tracking error whose L2-norm is small, as is the case with the currently popularH_{infty}theory. The present theory is a natural counterpart to the existing theory of optimal disturbance rejection (the so-calledH_{infty}theory) which is based on the assumption that the disturbance to be rejected is generated by a stable system whose input is square-integrable and has unit energy. It is shown that the problem studied here has quite different features from its predecessor. Complete solutions to the problem are given in several important cases, including those where the plant is minimum phase or when it has only a single unstable zero. In other cases, procedures are given for obtaining bounds on the solution and for obtaining suboptimal controllers.     

Design of optimal strongly stable digital control systems and application to output feedback control of mechanical systems

A new design method for an optimal digital series compensator is considered that is not produced by an optimal regulator incorporated with a state observer, but employs a new idea that assures total closed system optimality in one design step. However, the compensator so designed is not always stable, i.e. strong stability of the closed-loop system is not always guaranteed. For this case, the authors propose to use the inter-sample response to realize an optimal stable compensator and/or optimal output feedback control system. Especially when the given plant is a linearized mechanical system, such a strongly stable system can always be designed using only output data two samples prior to the current sample regardless of the system order and the parity interlacing property condition.