带有非匹配扰动的连铸结晶器振动位移系统自适应反步滑模控制

针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在非匹配的参数不确定性、干扰等问题,提出一种基于非线性扩张状态观测器(ESO)的自适应反步滑模控制方法.首先,基于双曲正切函数和高增益构造ESO对系统中的非匹配扰动进行估计.然后,利用反步法将非匹配扰动视为匹配扰动进行处理, 并在每一步设计自适应积分滑模控制器,以消除非匹配扰动对系统的影响.另外,在反步设计的后两步引入了积分滑模滤波器用于估计前一步虚拟控制律的导数.理论分析表明,所设计的ESO能够保证估计误差收敛到原点附近的小邻域内;所设计的控制器能够保证闭环系统所有信号有界,并且,通过选取适当的参数能够保证系统状态可渐近收敛到原点.最后,通过仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

非匹配不确定性下连铸结晶器振动位移系统准滑模控制

以伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统为研究对象,针对系统中同时存在的匹配建模误差和非匹配外界时变扰动不确定系统,提出一种基于干扰补偿器的鲁棒准滑模控制方案.首先,针对非匹配外界时变扰动不确定系统,采用一种改进的解耦干扰补偿器,保证估计误差有界收敛;其次,采用一种新型的混合趋近律,将幂次趋近律与等速趋近律相结合,减小滑模面趋近时间;再次,基于切换函数设计扩张状态观测器用于观测系统不确定项(包括干扰补偿器估计误差及系统的匹配不确定性),并构建趋近律参数与不确定项的定量关系,以降低抖振,提高系统的控制性能和鲁棒性;最后,通过理论分析证明了闭环系统离散准滑动模态的稳定可达性.仿真分析结果表明了所提出控制方案的有效性.     

基于变速趋近律的Buck型变换器抗扰动控制

针对带有输入电压波动、输出负载突变以及电感电容参数摄动等匹配和非匹配扰动的Buck型变换器系统,提出一种基于变速趋近律和扰动观测器的抗扰动控制方法.设计反余切型辅助函数构造变速趋近律,通过改变系统状态的收敛速度,保证系统具有较快的瞬态响应速度和较小的控制器抖振.通过对系统模型进行低通滤波,设计一种新型扰动观测器估计系统匹配和非匹配扰动.该观测器只包含一个设计参数,且无需对系统状态量求导,可以避免因求导带来的系统噪声放大问题.最后,基于李雅普诺夫稳定性理论给出观测误差和输出电压误差的收敛性分析,并通过仿真和实验对比验证所提方法的有效性.     

基于扩张状态观测器的二质量系统非奇异快速终端滑模控制

针对含未知负载信息的二质量伺服系统,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的非奇异快速终端滑模控制方法.首先,利用电机侧位置信息设计有限时间扩张状态观测器估计系统的扰动,并将估计值融入到控制器中作为前馈项对系统的未知扰动进行补偿;然后,引入一种新型的滑模趋近律,该趋近律能够避免传统滑模控制中存在的奇异性问题,据此设计非奇异快速终端滑模控制器,保证系统状态在有限时间内收敛到原点,并根据李雅普诺夫稳定性理论分析闭环系统的稳定性;最后,通过仿真和实验验证所提出方法的优越性.结果表明,与传统的PID等控制相比较,所提出的基于扩张状态观测器的有限时间滑模控制方法能够提高系统的跟踪性能,并有效增强二质量伺服系统的抗扰动能力.     

未知扰动下双起升桥吊时变滑模同步控制

为实现双起升桥吊系统在未知扰动下的同步控制,提出了一种基于变增益扩张状态观测器的时变滑模控制方案。首先,基于耦合误差设计了一种新的时变滑模面,可有效消除趋近阶段,确保初始状态系统的全局鲁棒性;其次,改进的超螺旋算法有效抑制控制器中的抖振现象;然后,变增益扩张状态观测器的设计是为了估计补偿系统中存在的非匹配干扰,有效增强了控制器的鲁棒性;此外,李雅普诺夫理论用于证明受控系统的稳定性。最后,通过仿真验证了所设计的控制器可以有效实现双起升桥吊系统的同步控制。     

基于广义扩张状态观测器的遥操作系统同步控制

针对机械臂遥操作系统中存在的时变时延问题,提出了基于广义扩张状态观测器的控制方法,实现了遥操作系统稳定并且主从机械臂关节角位置同步的控制目标。首先通过反馈线性化,将遥操作系统的主从机械臂动力学模型转化为一个关于位置跟踪误差和时延的状态空间模型。针对该多输入多输出的干扰不匹配模型,设计了广义扩张状态观测器和相应的控制律,从而消除了时变时延以及其它扰动引起的不确定性对系统的影响,并对系统进行稳定性和抗扰性分析。最后,通过仿真验证了所设计的控制方法的有效性。     

基于GPI观测器的Buck型变换器趋近律控制

针对Buck型变换器中存在的匹配和非匹配扰动,提出一种基于广义比例积分观测器(GPIO)和增强型变速趋近律的控制方法;首先,设计广义比例积分观测器来估计匹配和非匹配扰动,并将估计值引入控制器中进行前馈补偿;同时,构造了基于双曲正切型函数的变速趋近律,可以缩短系统状态的到达时间,并减小在滑动阶段的抖振现象,并与广义比例积分观测器结合,使系统具有良好的抗干扰性能和跟踪性能;最后,证明了观测器的收敛性和闭环控制系统的稳定性,并通过仿真验证该方法可以有效地抑制扰动带来的影响,提高整个系统的抗干扰性能。     

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.     

伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统反步滑模控制

针对伺服电机通过偏心轴连杆机构驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在减速比加工误差、偏心轴机械零位初始偏差和负载转矩扰动等问题,本文设计了一种基于双幂次趋近律和扩张状态观测器(ESO)的反步滑模控制器.首先,针对偏心轴转角到结晶器位移非线性关系逆解的非唯一性,可通过分段函数法建立结晶器位移到偏心轴转角一一对应的映射函数关系;其次,针对不可测的减速比加工误差和负载转矩扰动可采用扩张状态观测器来实时估计,以削弱扰动对系统跟踪性能的影响;最后,采用一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律以提高收敛速度和削弱抖振.仿真对比结果表明,本文所设计的控制器能有效实现连铸结晶器位移的渐近跟踪,并对系统扰动具有较强的鲁棒性.     

含有非匹配干扰和未知动态的非仿射系统滑模控制算法

针对含有非匹配干扰和未知动态的非仿射系统控制问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进滑模控制(SMC)方案.本文首先利用扩张状态观测器,将原系统转变为一个包含干扰的二阶积分级联系统,使含有未知动态的非仿射系统控制器设计问题转化为二阶积分级联系统的控制器设计问题,从而使得控制器在设计过程中不需要对对象模型完全已知.为了改善ESO的瞬态性能,提出了一种含有预设性能函数(PPF)的改进ESO,利用PPF对估计误差进行约束,抑制ESO收敛过程中的振荡和超调.其次,提出了一种带有修正项的改进滑模面,在降低ESO估计误差所带来的非匹配干扰影响的同时,也提高控制系统的收敛速度和跟踪精度.仿真算例表明,所提的改进ESO能够更快收敛,振荡次数显著减少,改进的滑模控制能够处理非匹配干扰的影响,并获得更快的收敛速度以及更高的跟踪精度.     

Enhanced adaptive nonlinear extended state observer for pure feedback systems withmatched andmismatched disturbances

In this paper, an enhanced adaptive nonlinear extended state observer (EANESO) for single-input single-output pure feedback systems in the presence of external time-varying disturbances is proposed. In this paper, a nonlinear system with matched and mismatched disturbances is considered. The conventional extended state observer (ESO) can only be applied to systems that are in the form of integral chains. Moreover, this method has limitations in the face of mismatched disturbances. In the presence of time-varying disturbances, the traditional ESOs cannot estimate the disturbances accurately. To overcome this limitation, an EANESO is proposed in this paper. The main idea is to design the nonlinear ESO (NESO) to estimate the states of the system and multiple disturbances simultaneously. The observer gains are considered time-varying and adjusted with adaptation laws to improve the estimation accuracy and overcome the peaking phenomenon. Next, the proposed controller is designed based on output feedback to eliminate the effects of multiple disturbances and stabilize the closed-loop system. Subsequently, the stability analysis of the closed-loop system and convergence of the observer error are discussed. Finally, the proposed method is applied to the inverted pendulum system. The simulated results show good performance of the proposed method as compared with a recently published scheme in the related literature.     

基于ESO的一类线性时变系统自学习滑模控制方法

针对一类线性时变系统的控制问题,提出了一种基于扩张状态观测器的自学习滑模控制方法。该方法首先设计了两种非线性光滑函数, 然后将两种光滑函数分别应用于扩张状态观测器和滑模趋近律的设计。为了进一步提高系统的自适应控制能力, 使用最速下降法对滑模控制器的增益参数进行自学习镇定。仿真结果表明了该控制方法不仅响应速度快、控制精度高, 而且有效解决了现有理论方法难以解决的问题, 因而是一种有效的不依赖于被控对象模型的LTV系统控制方法。     

A Model-Based Unmatched Disturbance Rejection Control Approach for Speed Regulation of a Converter-Driven DC Motor Using Output-Feedback

The speed regulation problem with only speed measurement is investigated in this paper for a permanent magnet direct current(DC)motor driven by a buck converter.By lumping all unknown matched/unmatched disturbances and uncertainties together,the traditional active disturbance rejection control(ADRC)approach provides an intuitive solution for the problem under consideration.However,for such a higher-order disturbed system,the increase of poles for the extended state observer(ESO)therein will lead to drastically growth of observer gains,which causes severe noise amplification.This paper aims to propose a new model-based disturbance rejection controller for the converter-driven DC motor system using output-feedback.Instead of estimating lumped disturbances directly,a new observer is constructed to estimate the desired steady state of control signal as well as errors between the real states and their desired steady-state responses.Thereafter,a controller with only speed measurement is proposed by utilizing the estimates.The performance of the proposed method is tested through experiments on dSPACE.It is further shown via numerical calculations and experimental results that the poles of the observer within the proposed control approach can be largely increased without significantly increasing magnitude of the observer gains.     

Reduced-order Generalized Proportional Integral Observer Based Continuous Dynamic Sliding Mode Control for Magnetic Levitation System with Time-varying Disturbances

In order to reduce the influence of time-varying disturbances for magnetic levitation system, we propose a reduced-order generalized proportional integral observer (RGPIO) based continuous dynamic sliding mode control scheme for magnetic levitation system in this paper. Unlike the popular extended state observer (ESO), it could deal with constant or slowing varying disturbances from theoretical point of view, the reduced-order generalized proportional integral observer (RGPIO) is designed to estimate the time-varying disturbances and system states, then the dynamic sliding mode surface is developed and deduce a continuous sliding mode controller (CSMC) for magnetic levitation system. Compared with ESO based continuous sliding mode controller, the proposed method not only ensures the position tracking accuracy, but also obtain better time-varying disturbance reject ability. Simulation and experimental results are also given to verify the effectiveness.

     

基于扩展状态观测器的随机隐Markov正跳变系统有限时间异步控制

针对一类含不匹配扰动的随机隐Markov跳变系统, 本文研究了基于扩展状态观测器(ESO)的有限时间异步 控制问题. 首先, 引入一组扩展变量将隐Markov跳变系统转换成一组新的随机扩展系统, 补偿不匹配扰动对系统控 制输出的影响. 基于Lyapunov–Krasovskii泛函方法, 给出使得基于ESO的闭环随机隐Markov增广跳变系统是正系 统, 且有限时间有界的充分条件. 进而得到直接求解观测器增益和控制器增益的线性矩阵不等式. 最后, 通过仿真结 果验证了本文所设计的异步状态反馈控制器和观测器的有效性和可行性.     

基于时变增益ESO的航天器无源姿态跟踪控制

针对修正罗德里格参数描述的航天器姿态运动模型,利用扩张状态观测器(ESO)研究无角速度测量下的无源姿态跟踪控制问题.首先,为了削弱常值增益ESO中的峰化现象,设计一种时变增益ESO对角速度和系统的总干扰进行估计;进一步考虑航天器姿态运动的无源特性,结合互连和阻尼分配无源控制(IDA-PBC)理论及backstepping思想设计跟踪控制律;最后,从理论上对闭环系统的稳定性进行严格证明.仿真结果验证了所提出控制方法的有效性.     

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.