主动变形四旋翼自抗扰飞行控制方法

为了获得更好的环境适应性,研究设计了一种主动变形四旋翼飞行器.飞行器的变形主要分为两种:机臂伸缩和折叠.为抑制系统所受内外扰动影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.首先对主动变形四旋翼结构进行设计,使用牛顿欧拉法建立风扰下系统动力学模型,然后分析阵风对系统影响以及动态变形时重心位置、惯性张量等参数的变化,接着将主动变形四旋翼系统解耦成6个SISO系统的组合并设计位姿自抗扰控制器,最后分别利用扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律对系统所受扰动进行观测和补偿.仿真结果表明,本文所设计的基于ADRC飞行控制器的主动变形四旋翼具有优秀的位姿控制能力,在飞行过程中可以良好地进行变形,能够有效地观测变形的扰动和紊流风扰,具有较强的稳定性和抗扰性,同时对系统部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程度,设计带有输入约束的控制器,模拟饱和输入现象,实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制;设计风扰观测器,实现对外部未知扰动的估计,有效跟踪外部持续扰动,并由此设计扰动补偿律;围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律,作用于四旋翼姿态系统,实现四旋翼无人机姿态的稳定控制;最后进行数值仿真,设置风扰观测器参数λi为0.25,预测时域Np为10,控制时域Nc为9,仿真测试本文方法与不带观测器的非线性预测控制方法（NMPC）,验证本文控制方法的有效性和优越性。     

立方体机器人自抗扰平衡控制方法

针对立方体机器人动力学模型多变量、强耦合的问题,提出一种基于自抗扰控制的平衡控制器设计方法.引入虚拟控制量,并在控制量与输出向量之间并行地嵌入多个自抗扰控制器,从而实现对多变量系统的解耦控制,将系统的动态耦合和外部扰动视为各自通道上的自抗扰控制器的总扰动,在为期望姿态安排过渡过程基础上,设计扩张状态观测器对总扰动进行估计并实时补偿.综合采用经验试凑法和带宽法对控制器参数进行整定,对自抗扰控制器系统进行稳定控制、姿态跟踪、抗扰性和鲁棒性实验,并与PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,所设计的自抗扰控制器不仅能有效实现立方体机器人的平衡控制,而且较PID控制器具有更好的响应速度、控制精度和强鲁棒性.     

航天器姿态自抗扰控制

为抑制航天器自身结构参数变化和内外扰动对姿态控制精度和姿态稳定度的影响, 设计了航天器姿态自抗扰控制器. 自抗扰控制器(ADRC)由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和姿态反馈控制器(AFC)3部分组成.跟踪微分器负责安排姿态指令过渡过程, 并提取其微分信号. 扩张状态观测器(ESO)充分利用姿态敏感器与速率陀螺的量测信息, 可对航天器姿态及内部和外部干扰进行观测. 姿态反馈控制器则在补偿ESO估计的干扰的同时,实现航天器的姿态控制. 与已有研究相比, 扩张状态观测器采用复合量测信息对状态估计进行校正, 性能较好. 而自抗扰控制器只采用一个环路即可实现姿态控制及干扰补偿, 结构简单. 对某航天器姿态控制系统的仿真结果表明,以上自抗扰控制器是可行的.     

具有输入死区与扰动的四旋翼无人机自抗扰控制

研究了具有输入死区与扰动的四旋翼无人机的姿态控制问题。由于输入死区普遍存在于四旋翼无人机的执行机构,并且易受到扰动的影响。针对具有输入死区与扰动的四旋翼无人机系统,设计基于自抗扰的动态面控制器。采用自抗扰控制算法设计扩张状态观测器估计系统的总扰动,采用动态面方法设计控制律。所设计的控制器使四旋翼无人机实现对期望姿态角跟踪。仿真结果验证了该方案的有效性。     

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.     

基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计

针对四旋翼无人机强耦合、非线性的控制难点,研究设计了一种基于自抗扰控制和比例微分控制的双闭环控制器。首先,分析了小型四旋翼飞行器动力学模型,确定四旋翼无人机的六自由度方程。然后,利用自抗扰控制技术对强耦合、非线性的姿态模型进行了解耦,设计扩张状态观测器对其总扰动进行观测与补偿。其次,设计比例微分控制器对解耦后的系统进行位置跟踪,从而与姿态控制器组成双闭环系统。最后,通过仿真及试飞实验测试系统性能。仿真和试飞结果表明该系统能够完成对控制指令的实时跟踪,并且对干扰具有极强的抑制力。     

基于串级ADRC的飞行器控制器设计与扰动估计

针对四旋翼飞行器的不确定性和外界环境干扰等问题,设计串级自抗扰控制器。在分析飞行器动力学模型的基础上,利用非线性自抗扰对姿态环(内环)进行解耦,同时对位置环（外环）设计线性自抗扰控制器,组成双闭环系统。设计扩张观测器对内外环的总扰动进行估计与补偿,通过仿真平台利用定点悬停实验对所设计的控制器进行验证,并与PD ADRC串级控制器进行对比分析,结果表明,所设计的控制器跟踪速度较快,抗扰能力较强。     

四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究

为了检验自抗扰控制方法是否可以应用在四旋翼飞行器飞行控制系统。介绍了自抗扰控制器的原理以及基本组成。针对四旋翼飞行器低速飞行或悬停状态,提出了一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法并在仿真平台上进行稳定控制、高度控制实验,以及与PID控制系统进行对比分析实验。仿真结果表明：基于自抗扰的四旋翼飞行器控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性,本文所设计自抗扰控制器可应用在四旋翼飞行控制系统。     

基于重置状态观测器的加热炉随机扰动自抗扰控制方法

针对钢坯加热过程中炉温控制存在严重的外部随机扰动问题,提出一种基于重置状态观测器的加热炉随机扰动自抗扰控制方法,其核心思想是将随机扰动对炉温控制系统状态的影响归结为对输出的影响,并进行主动补偿.首先,设计一个自适应重置状态观测器来快速跟踪系统的状态;其次,设计一个随机扰动估计器来估量这些扰动,并补偿于系统的输入通道;最后,设计基于重置状态观测器的加热炉随机扰动自抗扰控制系统,并进行数值仿真验证所提出方法的有效性和优越性.     

A Novel Robust Attitude Control for Quadrotor Aircraft Subject to Actuator Faults and Wind Gusts

A novel robust fault tolerant controller is developed for the problem of attitude control of a quadrotor aircraft in the presence of actuator faults and wind gusts in this paper. Firstly, a dynamical system of the quadrotor taking into account aerodynamical effects induced by lateral wind and actuator faults is considered using the Newton-Euler approach. Then, based on active disturbance rejection control (ADRC), the fault tolerant controller is proposed to recover faulty system and reject perturbations. The developed controller takes wind gusts, actuator faults and measurement noises as total perturbations which are estimated by improved extended state observer (ESO) and compensated by nonlinear feedback control law. So, the developed robust fault tolerant controller can successfully accomplish the tracking of the desired output values. Finally, some simulation studies are given to illustrate the effectiveness of fault recovery of the proposed scheme and also its ability to attenuate external disturbances that are introduced from environmental causes such as wind gusts and measurement noises.      

Tracking of a moving ground target by a quadrotor using a backstepping approach based on a full state cascaded dynamics

In this paper, a tracking controller is formulated for a quadrotor to track a moving ground target. The quadrotor exhibits distinct hierarchical dynamics that allows its position to be controlled by its attitude. This motivates the use of backstepping control on the underactuated quadrotor. Most backstepping architecture controls the quadrotor position and attitude independently, and couples them with inverse kinematics. Inverse kinematics computes the attitude angles required to achieve a desired acceleration. However unmodeled effects are shown to cause inexact inversion resulting in tracking error. The approach proposed in this paper uses a re-formulated full state cascaded dynamics to eliminate the need for inverse kinematics in a full state backstepping control architecture. It is shown that zero steady state error is achieved in the presence of unmodeled aerodynamics effect and wind disturbance despite no integral action. In addition, a backstepping formulation is derived using contraction theory that guarantees the boundedness of state response under bounded disturbances such as wind. This improves the system performance. Numerical simulations are performed using the proposed controller to track a target moving along predefined paths and the results are compared with a benchmark controller derived using inverse kinematics. The results show that the proposed controller is able to achieve better tracking performance under unmodeled aerodynamic effects and wind disturbance as compared with the benchmark controller.     

基于HOD的无模型四旋翼RBF滑模控制

为了探索解决在无模型控制算法中如何对系统的未知模型和扰动进行准确估计,提出一种基于高阶微分器(HOD)的无模型RBF神经网络滑模控制器(HODRBFSMC).引入HOD估计系统模型的各阶状态变量,并将系统模型的未知项和外界干扰统一归为总扰动,通过RBF神经网络对总扰动进行估计,并根据Lyapunov定理证明所设计控制器的闭环稳定性.为验证控制器的有效性,所设计的控制器被应用于四旋翼飞行器的轨迹控制,解决其模型参数复杂且飞行过程中易受外界干扰的问题.仿真实验表明,所提出方法能够有效估计并补偿总扰动,其轨迹跟踪能力和抗干扰性能相比PID和高阶微分反馈控制(HODFC)具有一定的优越性,能够很好地满足四旋翼飞行器控制的需求.     

四旋翼无人机时延模糊自抗扰容错控制

针对四旋翼无人机系统执行器故障问题，为改善飞行控制系统性能，提出一种时延模糊自抗扰容错控制。首先，根据四旋翼无人机系统非线性数学模型和执行器故障模型，选择模糊自抗扰控制器作为基准控制器，在未发生执行器故障的情况下，使飞行控制系统保持稳定；其次，在发生执行器故障的情况下，利用时延控制技术估计故障信息，并与模糊自抗扰控制相结合，实现容错控制；最后，对所研究的容错控制算法进行数值仿真分析，仿真结果表明：把时延控制与模糊自抗扰控制相结合，能有效调节执行器故障，使飞行控制系统对故障产生的干扰具有良好的鲁棒性。     

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。     

Composite Hierarchical Anti-Disturbance Control of a Quadrotor UAV in the Presence of Matched and Mismatched Disturbances

Quadrotor helicopter is an unstable system subject to matched and mismatched disturbances. To stabilize the quadrotor dynamics in the presence of these disturbances, the application of a composite hierarchical anti-disturbance controller, combining a sliding mode controller and a disturbance observer, is presented in this paper. The disturbance observer is used to attenuate the effect of constant and slow time-varying disturbances. Whereas, the sliding mode controller is used to attenuate the effect of fast time-varying disturbances. In addition, sliding mode control attenuates the effect of the disturbance observer estimation errors of the constant and slow time-varying disturbances. In this approach, the upper bounds of the disturbance observer estimation errors are required instead of the disturbances’ upper bounds. The disturbance observer estimation errors are found to be bounded when the disturbance observer dynamics are asymptotically stable and the disturbance derivatives and initial disturbances are bounded. Moreover, due to the highly nonlinear nature of the quadrotor dynamics, the upper bounds of a part of the quadrotor states and disturbance estimates are required. The nonlinear terms in the rotational dynamics are considered as disturbances, part of which is mismatched. This assumption simplifies the control system design by dividing the quadrotor’s model into a position subsystem and a heading subsystem, and designing a controller for each separately. The stability analysis of the closed loop system is carried out using Lyapunov stability arguments. The effectiveness of the developed control scheme is demonstrated in simulations by applying different sources of disturbances such as wind gusts and partial actuator failure.     

基于U模型的模糊免疫自抗扰控制方法研究

针对一类非线性系统在持续扰动下的控制问题,设计基于U模型的模糊免疫自抗扰控制方法。首先,引入U模型方法进行被控对象建模,提高处理非线性系统的能力,结合自抗扰控制方法,设计基于U模型的改进自抗扰控制器。在非线性反馈环节引入模糊免疫方法实现非线性智能反馈,设计基于U模型的模糊免疫自抗扰控制系统。最后仿真实验表明：基于U模型的模糊免疫自抗扰控制方法在保持了基于U模型的自抗扰控制的简洁性和良好抗扰性能的基础上,简化了控制器参数调节过程,在持续未知扰动下的跟踪速度、精度都更优。     

风干扰下的四旋翼无人机ADRC控制律设计

针对小型四旋翼无人机飞行过程中姿态控制容易受侧向风干扰的问题,研究了一种自抗扰控制(ADRC)律.首先分析了侧向风对旋翼的推力,然后建立了风速的组合模型,利用自抗扰控制方法对风的干扰进行估计和补偿,最后在Matlab平台上对所提出的ADRC控制律进行仿真验证.从仿真结果看ADRC控制能够较好地对侧向风的干扰进行估计补偿,从而保证姿态控制具有较好的稳定性.