惯性串联系统的自抗扰控制

针对非线性不确定惯性串联系统的控制问题,提出了惯性串联型扩张状态观测器（Extended state observer,ESO）,使其可直接对惯性串联系统的扩张状态进行估计,同时把被控对象的极点配置到期望位置,在此基础上提出了适合惯性串联系统的自抗扰控制（Active disturbance rejection control,ADRC）方法,该惯性串联型ADRC方法可以充分利用被控对象的已有知识.论文还给出了惯性串联型ADRC和基于扰动观测器（Disturbance observer,DOB）的控制方法之间的联系,指出它们具有相同的三自由度（three-degree of freedom control,3-DOF）控制系统结构和模块功能,都能实现对系统期望模型以外的总扰动进行估计和补偿.仿真结果表明,所提出的方法是有效的,惯性串联型ESO能实现系统总扰动的估计,惯性串联型ADRC能使系统输出能很好地跟踪系统参考输入.     

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.     

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.     

线性自抗扰控制器的稳定性研究

研究了线性扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)的估计能力,并且分析了在线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control, LADRC)下闭环系统的稳定性. 对于系统模型未知的情形, 给出了线性扩张观测器估计误差有界的证明, 并通过分析得出了如下结论: 在扩张状态观测器跟踪误差趋于零的前提下, 在线性自抗扰控制下的闭环系统可以实现对设定信号的精确跟踪以及输入-输出有界(Bounded input and bounded output, BIBO)稳定.     

二阶系统线性自抗扰控制的稳定性条件

研究了线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control, LADRC)抑制内扰的机理.针对无外扰的二阶线性系统, 给出了线性自抗扰控制的一个稳定性充要条件.使用该条件证明了实践中广泛应用的带宽法可以克服对象的参数不确定性, 找到合适的观测器带宽保证自抗扰控制稳定.     

自抗扰控制在HR神经元同步中的应用研究

神经元同步是生物功能得以实现的重要机制,其同步研究已经成为神经电生理学研究领域的热点和难点问题.针对神经元同步问题中同步控制律对神经元模型的依赖以及同步控制律复杂而难以实现的不足,采用不依赖于被控对象精确数学模型且实现简单的线性自抗扰控制器实现HR神经元系统的同步.自抗扰控制的核心部分-扩张状态观测器能够实时估计和补偿各种扰动,实现干扰存在时HR神经元的同步,数值仿真结果表明在自抗扰控制作用下,即使存在阶跃和正弦干扰,主、从神经元动态响应曲线仍能重合,获得良好的HR神经元同步效果.     

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。     

基于线性自抗扰的开关磁阻电机调速控制研究

开关磁阻电机调速系统是复杂的非线性时变系统,负载扰动大,变量之间耦合严重,针对上述系统的性能特点提出采用线性自抗扰控制策略对系统进行控制的方法。首先为克服负载扰动变化,电机磁链呈非线性以及电流、位置等参数耦合的内外部干扰问题,设计扩张状态观测器对系统内扰和外扰进行准确估计并实时补偿。然后设计PD（比例-微分）控制器抑制系统给定与扩张状态观测器反馈的观测对象状态变量之间的跟踪误差。最后在仿真平台上对设计的控制系统进行试验并与传统PID控制方案进行对比,结果显示,对于给定的阶跃信号线性自抗扰控制器只需0.09s即可达到稳态且无超调,而PID控制器需要3s才能实现稳定跟踪。因此相比于传统PID控制,线性自抗扰控制器拥有更优的动静态性能,并且系统在外部负载扰动和内部模型参数变化的情况下也有良好的控制效果,表现出了很好的鲁棒特性。     

基于变结构控制的二阶自抗扰控制

结合变结构控制器抗扰性能强,调节速度快和结构简单的特点,提出一种基于变结构控制器的二阶自抗扰控制器。首先,设计了系统的相轨迹和一种变结构控制律,使得系统具有更强抗扰能力和更快的调节速度。在带宽近似不变的情况下,可以通过调节参数改变系统的抗扰性和调节时间。证明了系统的稳定性,研究了变结构控制器的参数选取问题,考虑扩张状态观测器的观测误差,分析了参数选取对系统抗扰性的影响。最后,采用仿真实验测试了控制器的性能,实验结果表明,相比基于PD控制的标准自抗扰控制控制器,该控制器在调节时间、抗扰性及参数整定上均更优。     

线性自抗扰控制的对偶性分析EI北大核心CSCD

本文对线性自抗扰控制的结构进行了分析,证明了线性自抗扰控制结构实际上是一种基于观测器的比例–积分–微分(PID)结构的对偶.该结构中状态反馈就是常规(高阶)PID控制,而PID控制中输出的积分和各阶导数由一不依赖于模型的扩张观测器获得.这种对偶性表明PID控制和线性自抗扰控制采用了同一个标准系统作为被控对象,但从不同的角度进行处理.理论及仿真表明,线性自抗扰控制是常规PID控制的扩展,克服了常规PID控制受测量噪声影响的问题,为高阶PID的应用提供了实际可行的实现.     

用PID控制近似线性自抗扰控制

线性自抗扰控制(LADRC)是结合PID和现代控制理论发展起来的新型控制方法,很多文献表明PID可以转化为LADRC,那么LADRC能否近似为PID,并且近似效果如何,目前没有确定的答案.本文首先证明LADRC的积分作用实际上包含在扰动的估计及补偿里,说明了二阶LADRC和PID的关系.然后根据LADRC阶数的不同,本文提出了实际PID+n阶超前环节的策略近似各阶LADRC.通过仿真实例,说明二阶和三阶LADRC和转化后的PID具有相似的抗干扰性能,但更高阶的LADRC转换得到的PID控制效果不如LADRC.因此,LADRC是PID控制在工业过程控制中的推广,具有更多的应用前景.     

基于高阶控制器设计的线性自抗扰控制参数调整

将反馈控制器/扩张状态观测器闭环极点配置在同一位置是线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection control,LADRC)最常用的整定方法.该方法只需调整两个参数,在工程应用上极为方便.但是,由于极点配置在同一位置的限制,整定的LADRC可能达不到期望的性能.本文提出以现有控制器参数为基础的LADRC调参方法.该方法以现有控制器参数为基础,通过降阶及逼近,保证LADRC控制能接近现有控制系统的性能.仿真设计表明采用高阶控制器设计的LADRC可以取得与原有控制系统相当的控制性能.该方法不受带宽法调参的需使反馈控制器及扩张观测器极点配置在同一位置的限制,因此可以期望获得比带宽法更好的性能.同时,该方法为已经熟悉掌握其他控制器设计方法的工程控制人员提供了一种便捷的调整线性自抗扰控制参数的方案,具有较好的应用价值.     

基于模型信息的电静液作动器降阶线性自抗扰控制

针对电静液作动器(electro-hydrostatic actuators, EHA)系统存在内外部扰动、参数不确定性和变控制增益等问题,提出一种基于模型信息的降阶线性自抗扰位置控制方法.首先,基于系统模型信息选取控制增益.其次,通过降阶线性扩张观测器对系统总扰动进行估计,并在控制器中加入扰动项进行补偿.利用奇异摄动理论证明所提控制器可使闭环系统是半全局最终一致有界的,并且当观测器带宽足够大时,所提出的控制器理论上可以使系统输出以所需精度跟踪期望轨迹.仿真结果表明,所提控制方法响应速度较快,控制精度较高,对外部扰动和参数不确定性具有较强的鲁棒性.     

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.     

线性自抗扰控制系统的鲁棒稳定性

针对线性自抗扰控制系统,研究了模型参数不确定情况下的鲁棒稳定性问题.首先给出对象为非自治模型时该系统的H∞判据.然后针对线性误差模型的状态矩阵只在某一行存在不确定参数的情况,基于奇异值理论,得到H∞判据的一种新的等价描述,把H∞范数约束转化为对奈奎斯特图的约束.之后为了降低新判据在实际应用中的保守性,对不确定性矩阵的分解方式进行优化.在此基础之上提出了一种新的方法,用于计算时变参数不确定性的最大边界,为线性自抗扰控制器设计提供理论依据.数值实例表明该方法不仅保守性小,而且计算简单.     

线性自抗扰控制的适用性及整定

线性自抗扰控制将被控对象看成串级积分系统,把其他信息都当成不确定性.这种处理方法简单,但是对什么样的系统有效,目前还没有理论给出确定的答案.本文证明任何带有积分行为的严格正则传递函数都可以由线性自抗扰控制的反馈控制器等价实现,从而表明线性自抗扰控制具有广泛的适用性,即只要其他线性控制方法能够控制的系统,线性自抗扰控制同样可以适用.为简化线性自抗扰控制器参数整定,本文针对工业过程中广泛存在的PID控制器,提出将PID参数转化为二阶自抗扰控制参数的方法.该方法转化的线性自抗扰参数以带宽形式表示,从而保留了传统线性自抗扰简单易调的特性,为线性自抗扰控制在工业过程的应用准备了基础.     

Superheated steam temperature control based on modified active disturbance rejection control

Control of superheated steam temperature (SST) is becoming more and more challenging because of unknown disturbances caused by the frequent and extensive load changes and strict control requirements for the efficiency and safety. This is becoming even severe while the intermittent renewables penetration is growing. To this end, the working principle of SST is depicted and the models of SST are identified from the open-loop step response data. Considering the sluggish responses to the disturbances caused by high order dynamics, a modified active disturbance rejection control (ADRC) is proposed to enhance the control performance. Stability analysis of modified ADRC is derived theoretically to perfect the theory of modified ADRC. Then a practical tuning procedure is summarized for modified ADRC that can be readily understood by field engineers even though it involves trial and error tests. A simulation example shows that modified ADRC can improve the performance of tracking and disturbance rejection simultaneously while maintain a good robustness. A modified ADRC based cascade control strategy is proposed for the SST control system and the control performance is initially confirmed by a simulation based on the identified models. A field application in a 300 MW circulating fluidized bed (CFB) power plant demonstrates the advantages of the proposed strategy, which shows the temperature deviation can be significantly reduced in both the small-scale load varying condition and the large-scale load varying condition. The successful application of the proposed SST control system indicates a promising future of modified ADRC in power industry with the increasing demand on integrating more renewables into the power grid.     

基于频域近似的线性系统自抗扰参数整定

采用带宽法进行线性自抗扰控制器 (Linear active disturbance rejection control, LADRC)参数整定是目前被普遍接受的调参方法,便于工程人员理解,但由于控制器阶数和相对增益的选择问题限制了其推广。现有的很多基于模型的控制算法都有相对成熟且便于理解的整定方法,同时可以获得满意的控制性能,因此,本文提出基于频域近似的LADRC参数整定方法。该方法通过基于模型的（本文以广义自抗扰控制为例）控制算法求得反馈控制器,然后通过在一定频域内将二阶LADRC与其近似,通过求解非线性方程组的解来得到相应的LADRC参数整定：b0、ωc和ωo。实验仿真表明,通过该方法整定的控制器既保持了LADRC的特性同时继承了反馈控制器的部分优良特性,其结构简单,便于工程实现,为工程人员提供了一种新的参数整定思路。