离散型自抗扰控制器在四旋翼飞行姿态控制中的应用

本文首先介绍了自抗扰控制器的结构组成,包括跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈律,及各部分的典型算法.针对四旋翼盘旋系统的姿态控制问题,设计了3种离散型自抗扰控制器,搭建了仿真结构图,并进行了参数整定,得到了优良的仿真结果.进而在实际装置上进行试验,调试出了令人满意的姿态实时控制结果.实时控制结果表明,文中所设计的自抗扰控制器可以满足控制精度及快速性的要求,并且具有抗干扰性能、稳定控制能力以及对非线性强耦合系统的解耦能力.最后,总结并分析了3种自抗扰控制器的优缺点及适用范围.     

二自由度无人直升机的非线性自抗扰姿态控制

无人机高性能姿态控制的难题之一是无人机系统模型通常无法精确建立且受到复杂外部干扰的作用.针对这一难题,本文提出了二自由度无人直升机姿态控制的非线性自抗扰控制设计方法.该方法的主要思想是将系统内部的未建模动态和外部干扰等不确定性因素作为"总扰动",利用输入输出信息在线观测,并在反馈控制环节对其进行补偿.本文发展了非线性扩...     

自抗扰fal函数改进及在四旋翼姿态控制中的应用

将自抗扰控制器(ADRC)应用于四旋翼飞行器姿态控制.首先,对扩张状态观测器(ESO)进行理论分析,对扩张状态观测器中的非线性fal函数进行改进,得到改进型faln函数,并对改进后的状态观测器进行收敛性判断;然后,将传统的fal函数与改进型faln函数进行仿真实验对比,以验证改进型faln函数能够更好地达到“大误差,小增益”的效果;最后,将改进的faln函数应用于四旋翼飞行器姿态控制,仿真结果表明,改进后的faln函数具有比传统fal函数更优的抗扰效果.     

二阶自抗扰控制器的参数简化

为了克服PID控制器自身具有的缺陷，在PID的基础上提出了自抗扰控制器（ADRC）。该控制器由跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈三部分组成，其控制效果优于经典PID控制器，但是参数众多、调节复杂。通过线性简化和参数整合建立简化的线性自抗扰控制器。MATLAB仿真表明，简化的线性自抗扰控制器参数调节过程大大简化，而控制性能并未受到明显影响。     

用模型补偿自抗扰控制器进行参数辨识

自抗扰控制器中扩张状态观测器的输出提供了进行系统参数辨识的足够信息,受控对象若有已知部分,把此部分补偿给扩张状态观测器输入项,能提高扩张状态观测器的逼近精度,从而也能提高其输出值来进行参数辨识的精度。     

无人直升机航向自抗扰控制

针对无人直升机系统航向通道扰动大等问题,本文设计了一种自抗扰控制算法来实现其高性能控制.首先分析了航向通道的动态模型,并通过数学变换,将其转化为一类二阶系统;在此基础上,本文设计了适用于无人机航向通道的自抗扰控制策略,它由跟踪微分器、扩展状态观测器、控制器3个环节构成.本文对所设计的自抗扰控制策略进行了仿真和实验测试,并与常见的串级控制方法进行了对比分析.仿真与实验结果表明:这种自抗扰控制策略具有对扰动抑制能力强、控制精度高等优点,其控制性能明显优于常规的串级比例–积分–微分控制方法.     

高阶不确定系统的线性串级自抗扰控制

自抗扰控制是我国著名学者韩京清原创的先进控制技术,本文针对自抗扰控制(ADRC)在高阶系统应用中控制器设计和参数整定问题,提出了串级自抗扰控制(CADRC). CADRC把高阶被控对象分解为含确定性部分和含总扰动的低阶部分的串联组合,采用由内环和外环组成的串级控制系统来完成控制.该CADRC方案的内环采用内模控制,外环采用经典ADRC.外环ADRC的被控对象是一个等效的低阶系统,可以采用带宽法进行整定,而内环的内模控制采用高阶低通滤波器进行回路成形设计和参数整定.仿真研究表明,所提出的方法是有效的,具有良好的工程应用前景.     

串联型扩张状态观测器构成的自抗扰控制器

利用自抗扰控制器控制ｍ阶对象,需要调整扩张状态观测器的ｍ＋１个参数。结构和参数相同的ｍ个二阶扩张状态观测器串联而成的串联型扩充状态观测器,具有ｍ＋１阶扩张状态观测器的功能。用其构成的自抗扰控制器参数易于调整,便于工程应用。     

一种线性自抗扰控制器的无人直升机姿态控制方法研究

针对无人直升机模型复杂,控制器难于设计,易受外界干扰等问题,本文在建立亚拓系列直升机动力学模型基础上,提出了一种改进的二阶线性自抗扰控制器。首先,将线性扩张状态观测器用于估计影响输出结果的扰动,并加入跟踪微分器。然后,改进了控制器结构与反馈补偿系数,使直升机姿态角能够更快地响应所输入的指令,并能够按设定的角度飞行,以完成要求的任务;最后,通过引入白噪声干扰模块,来验证本文控制器的抗干扰能力。对比仿真结果表明,本文所提出的控制器对于无人直升机的姿态角有较好的控制效果,优于其他两种控制器。特别是在噪声干扰的条件下,也有较好的动态性能和鲁棒性。     

基于自抗扰控制器的力矩电机伺服系统控制

自抗扰控制器能将被控对象的内、外“总扰动”进行估计并用前馈补偿的方法将其抵消,适于力矩电机因直接驱动所带来干扰的补偿与控制;针对测量噪声对线性自抗扰控制器观测器带宽的限制,提出了二阶线性自抗扰的相似结构,并结合三阶积分链式微分器对其效果进行了对比仿真验证;力矩电机的控制仿真实验表明,与二阶线性自抗扰算法相比,基于相似结构的改进的力矩电机控制,能在有测量噪声情况下兼顾系统跟踪精度、突加负载时抗扰动性.     

Cascade active disturbance rejection control of single-rod electrohydrostatic actuator

Electrohydrostatic actuators (EHAs) are used to replace traditional centralized hydraulic systems to reduce weight and improve efficiency and maintainability. This paper proposes a cascade active disturbance rejection control (C-ADRC) method for single-rod EHAs with parametric uncertainties and severe external disturbances. The studied EHA can be transformed into a cascade connection of a first-order pressure system and a second-order position system. Two linear active disturbance rejection controllers are designed for the inner pressure system and the outer position system to estimate and compensate for various uncertainties in the two loops, respectively. The uniqueness of the C-ADRC is that the two linear active disturbance rejection controllers are designed by making full use of the measurable states and known model information of the EHA system. It is theoretically proved that the closed-loop system is semi-globally uniformly ultimately bounded. Moreover, the proposed controller can theoretically ensure position tracking with desired accuracy as the bandwidth of extended state observers (ESOs) becomes sufficiently high. Simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method.     

基于滑动窗实时小波降噪的扩张状态观测器及自抗扰控制EI北大核心CSCD

自抗扰控制技术应用已日渐成熟,但当系统中存在高频非平稳噪声信号时,线性自抗扰控制(LADRC)存在难以选取合适的观测器带宽的问题:当带宽较小时,线性扩张状态观测器(LESO)难以实现对总扰动的实时观测,会造成时滞;当带宽较大时,LESO又会放大噪声对系统的影响,从而造成总扰动观测失真.为了解决这一问题,将小波降噪环节加入LADRC中,通过设计基于滑动窗实时小波降噪的LESO,对含噪输出信号进行实时降噪.使用Simulink搭建系统模型,分别在输出信号中加入高斯白噪声或谐波等不同类型的高频非平稳噪声进行仿真实验,并将所提方法与滑动平均法进行对比,结果验证了所提方法的有效性.     

自抗扰控制和高频信号注入的内嵌式永磁同步电机无位置传感器控制

针对内嵌式永磁同步电机无位置传感器控制系统,基于自抗扰控制技术和高频信号注入技术,提出了以转子位置角为扩张状态观测器(extended state observer,ESO)主体变量的自抗扰控制系统.该方法避免了传统算法中以电流为ESO主体变量时依靠角速度估计值积分来获得转子位置角估计值所带来的误差积累问题.该方法在电机起动、负载突变等电流波形正弦度较差的情况下,仍能保证转子位置角的估计值具有较高的精度.仿真结果验证了所提出方法的正确性和优越性.     

Active disturbance rejection and Lyapunov redesign approaches for robust boundary control of plate vibration

In this paper, two approaches, namely active disturbance rejection control (ADRC) and Lyapunov redesign, are utilised to stabilise the vibration of a boundary-controlled flexible rectangular plate in the presence of exogenous disturbances. Based on ADRC, an estimation/cancellation strategy is applied where disturbance is estimated online by an extended state observer (ESO) and cancelled by injecting the output of ESO into the feedback loop. By the Lyapunov redesign, on the other hand, the control law intended for a nominal system is redesigned by adding a (discontinuous) control component that makes the system robust to large uncertainties. Both control algorithms are designed directly based on partial differential equation model of the plate so that spillover instabilities that are a result of model truncation are avoided. The established control schemes are able to stabilise the plate vibration by actuating and sensing only along the plate boundary while accounting for the dynamical effects of Gaussian curvature integral, in-plane membrane force and actuator mass. The stability of each control approach is proven using Lyapunov analysis. The efficacy of each proposed control is illustrated by simulation results.     

A composite fractional order active disturbance rejection control method for a class of uncertain systems with multiple disturbances

The existing active disturbance rejection control (ADRC) method may not provide sufficient disturbance rejection to multiple mismatched disturbances for the fractional order systems. In this paper, a composite disturbance rejection approach is developed for a class of fractional order uncertain systems, by synthesizing the fractional order ADRC (FOADRC) approach and a disturbance observer (DO)-based compensation scheme. Taking advantage of more disturbance information and a filter structure, an improved DO is developed to achieve precise estimation of disturbances in the presence of sensor noises. In addition, a state transformation is developed to convert the system into a simple integral chain model with only matched disturbances. Then a composite control law is designed to compensate the disturbances and provide satisfying dynamic performance. The efficiency of the proposed method is demonstrated by a numerical simulation and an actual servo control simulation, as well as the comparison with two kinds of the existing ADRC methods and the commonly used integral sliding mode control (I-SMC) method.     

线性自抗扰控制的抗饱和补偿措施

控制输入约束是实际工业过程中普遍存在的现象,然而控制器设计中通常都假设执行机构动态是线性的,因此当执行机构存在约束时,执行机构输出信号与控制器输出信号不一致,使系统的动态性能降低,甚至导致系统不稳定.本文针对线性自抗扰控制(linearactive disturbance rejection control,LADRC)执行机构的约束问题,提出两种抗饱和补偿方案,利用LADRC扩张状态观测器估计控制器状态或者控制器输出与执行器输出的误差,从而使LADRC能快速消除饱和.将这两种方法用到含执行机构饱和的一阶惯性加迟延被控对象进行仿真研究,结果表明两种补偿措施下线性自抗扰控制器能得到较好的控制性能.随后本文将LADRC抗饱和思想推广到负荷频率控制系统(load frequency control,LFC)中,仿真表明基于误差补偿的抗饱和方案对于LFC系统更为有效.     

移动机器人的线性自抗扰控制设计与实验验证

为了实现移动机器人的高精度轨迹跟踪控制, 设计了一种基于扩张状态观测器的扰动抑制方法和相应的实验验证平台. 首先, 考虑到不确定扰动如车轮纵向和侧向滑动对移动机器人系统控制性能的影响, 建立了受扰下的运动学模型; 然后, 基于扩张后的运动学模型设计了扩张状态观测器来估计系统扰动; 接着, 利用扰动估计构建了线性自抗扰控制器, 并利用Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性; 同时, 基于MATLAB/Simulink软件和微控制器搭建了所推荐控制算法的实验验证平台. 最后, 仿真和实验结果都验证了所提出控制方法的有效性.     

Analytical design of active disturbance rejection control for nonlinear uncertain systems with delay

For first-order nonlinear uncertain systems with delay, the analytical design of active disturbance rejection control (ADRC) with matched time delay is rigorously studied. The conditions of stabilizing the closed-loop system are studied in the form of parameters’ explicit sets such that the tuning laws of ADRC can be directly obtained and intuitively demonstrated in engineering practice. The necessary and sufficient condition of the asymptotical stability for the closed-loop system in the case of linear time-invariant is explicitly given. The condition of stabilizing the closed-loop system with nonlinear uncertain dynamics is quantitatively presented. Moreover, the water tank experiment illustrates the proposed tuning laws.     

一种新型控制方法—自抗扰控制技术及其工程应用综述

自抗扰控制（active disturbance rejection control,ADRC）是韩京清研究员于1998年正式提出的一种不依赖被控对象模型的新型实用技术,具有很好的工程应用前景。为了便于理论分析与工程实际应用的推广实现,高志强教授在ADRC的基础上提出易于参数整定的线性自抗扰控制（LADRC）,极大地推动了自抗扰控制理论发展与实际应用。本文简要介绍了自抗扰控制的基本思想及线性自抗扰控制的基本原理,较为系统地阐述了自抗扰控制理论的研究进展,就自抗扰控制在实际工程领域中的应用进行了分类总结,最后给出需要进一步深入研究的方向。