基于扩张状态观测器的车辆横摆稳定模型预测控制器设计（英文）

针对车辆横摆稳定性控制问题,本文提出一种基于扩张状态观测器的线性模型预测控制器设计方法.首先,将非线性车辆模型线性化,建立带有模型误差干扰项的线性模型,其中线性化导致的模型误差采用扩张状态观测器估计得到,并证明了观测器的稳定性.然后基于此模型设计线性预测控制器,近似实现了非线性预测控制器的控制效果,同时降低了计算量.最后,通过不同路况下的仿真实验结果,验证了所提方法的计算性能和控制效果.     

一类不确定对象的扩张状态观测器

利用观测器形式的跟踪一微分器,对形如ｘ＾（ｎ）＝ｆ（ｘ,ｘ,．．．Ｘ＾（ｎ－１）,ｔ）＋Ｗ（ｔ）的不确定系统给出了“扩张状态观测器”。只要适当选取观测器中的非线性函数和相应参数,它能很好地跟踪一批不确定对象的扩张状态。     

基于扩张状态观测器的永磁同步电机PWM电流预测控制

针对传统永磁同步电机PWM电流预测控制中电机参数扰动偏差造成的输出电流静差及振荡问题,提出基于扩张状态观测器的新型PWM电流预测控制算法.分析电机参数扰动偏差对PWM电流预测控制系统的影响,构建相应的扩张状态观测器来观测参数偏差造成的系统扰动,为传统预测控制算法提供实时性扰动补偿,并通过极点配置验证新型算法的稳定性.仿真结果表明,新型算法能够快速无静差地观测系统扰动,有效避免电感参数扰动偏差对电流预测系统的影响.     

基于扩张状态观测器的分散模型预测控制

针对复杂关联系统中分散控制方法无法有效解决子系统间的耦合和干扰问题, 提出一种基于扩张状态观测器的分散模型预测控制算法. 首先将复杂关联系统分解为多个状态维数较低、控制变量较少的子系统, 并为每个子系统设计本地预测控制器; 然后, 采用扩张状态观测器对子系统的耦合项以及干扰项进行估计, 进而利用估计值对子系统进行前馈补偿, 从而降低复杂关联系统的计算复杂度, 提高系统的稳定性和抗干扰能力; 最后, 利用液位控制系统验证了所提出算法的有效性.

     

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。     

时滞系统的状态预测观测器及预测控制器设计

研究基于状态空间模型的时滞控制系统的状态预测观测器及最优预测控制器的设计问题。针对控制项含有时滞的系统，设计一种全维状态预测观测器，并将其用于时滞控制系统的最优状态预测反馈控制。通过该状态预测观测器可将闭环系统的时滞项移至系统闭环结构之外，从而使其优化控制规律完全可按无时滞系统进行设计。所给出的性能指标计算公式表明，该预测控制器关于二次型性能指标是次优的。     

基于状态观测器的约束鲁棒模型预测控制

模型不确定情况下的鲁棒问题是模型预测控制的一个根本问题。本文采用线性矩阵不等式(LMI)，研究多模型不确定性描述情况下的鲁棒模型预测控制问题。在输入输出约束条件下，最小化最坏情况下的无穷时域目标函数，获得保证系统稳定的基于状态观测器的状态反馈增益并且给出观测器增益的设计方法。实例说明算法可行且保证闭环系统渐近稳定。     

基于降阶扩张状态观测器的重复控制系统设计

针对一类含有非匹配状态相关不确定性和外界干扰的伺服系统,提出一种基于降阶扩张状态观测器的重复控制方法,通过对不确定性和扰动进行实时估计和主动补偿,实现对周期性参考输入信号的高精度跟踪.首先,利用系统可测输出和控制输入信号设计降阶扩张状态观测器,对系统的不可测状态以及包含不确定性和外界干扰的总扰动进行估计;其次,通过选择...     

基于降阶扩张状态观测器的逆变系统重复控制设计

针对具有参数不确定性和负载扰动的单相全桥LC型逆变器,提出一种基于降阶扩张状态观测器（ROESO）的重复控制系统设计方法。首先,根据电路定理推导出逆变器的数学模型,并针对该模型利用系统可测量输出电压构造ROESO,用以实时估计由系统参数不确定性和外部干扰组成的总扰动。在此基础上,嵌入改进型重复控制器,构造复合重复控制规律,实现对扰动的有效抑制和对周期性参考输入的高精度跟踪。然后,利用小增益定理推导出系统的全局稳定性条件,并给出控制器参数整定方法和系统设计步骤。最后,通过仿真验证所提方法的有效性和优越性。     

基于扩张状态观测器的卫星通信跟踪控制系统设计

当前卫星通信跟踪控制系统对精准度的控制仅能维持在微弧度量级,跟踪控制精度难以达到用户要求,为了解决上述问题,基于扩张状态观测器设计一种新的卫星通信跟踪控制系统。系统硬件主要设计了控制模块、传感器模块、电源模块与电机驱动模块,控制模块的核心芯片选用SXD320F2784型号,提高处理频率,电源芯片为TDG3320芯片,能够保证固定电压转换为可调电压,传感器模块通过AHRS轴向传感器、GPS、信标机组成,确保传感能力,利用L845N芯片设计电机驱动模块,增强额定电压。引入扩张状态观测器,通过系统初始化、天线经纬度计算、误差比较、卫星通信信号跟踪控制、驱动直流电机实现软件流程。实验结果表明,所设计卫星通信跟踪控制系统能够将跟踪精度从原来的微弧度量级提高到纳弧度量级,有效提升跟踪准确率,增强系统的干扰抑制能力,确保控制输入峰值达到与其要求。     

基于扩张状态观测器的鲁棒迭代学习控制

针对一类包含模型不确定和外界干扰等非重复扰动的线性离散系统,本文通过将迭代学习控制与自抗扰技术相结合,提出一种新的基于扩张观测器的鲁棒迭代学习控制方法.本文以时间轴和迭代轴两个方向同时出发考虑系统的非重复扰动估计和稳定收敛问题.将与时间和迭代轴同时相关的模型不确定及外界干扰等因素归纳为系统总扰动,针对其非重复变化特性给出了扩张观测器的设计,保证在批次内快速、准确地估计系统总扰动;基于上述扰动估计,设计新型的迭代学习控制律,利用线性矩阵不等式方法证明了整个鲁棒迭代学习系统的稳定性和收敛性,并给出合理的控制器参数估计条件.此外,讨论了迭代学习控制中第一批次的控制律设计问题,给出合理的自抗扰控制器设计.最后通过仿真对比实验验证了本文方法的可行性和有效性.     

基于广义预测控制和扩展状态观测器的永磁同步电机控制

在电动汽车等工况复杂的系统中,实现永磁同步电机驱动系统的快响应和强鲁棒性控制历来是研究的重点和难题.预测控制策略可实现快速的动态响应,但依赖电机的数学模型.本文结合广义预测控制理论和扩展状态观测器,提出了一种新型的永磁同步电机转速跟踪控制方法.首先基于连续时间非线性系统的广义预测控制方法,设计了速度跟踪控制器;然后针对外部扰动引起的电机性能下降问题,设计了扩展状态观测器估计系统扰动,通过对扰动量的补偿,提高了鲁棒性;而且控制器参数容易调节.试验结果表明,电机从静止到1000 r/min,与PI控制相比,超调量小,响应速度快.特别是在电机运行过程中外加负载扰动时,转速跌落更小,且更快的恢复到给定值.     

惯性信息状态观测器在车辆稳定系统中的应用

针对车辆安全稳定系统的算法设计中诸如车身质心侧偏角等惯性信息难以估量的问题,研究了状态观测器在系统中的应用方法。建立了车辆二自由度单车道数学模型,设计了质心侧偏角状态观测器的流程,并对此流程中的估算条件和影响因素进行了计算分析。通过数值计算类软件Matlab和动力学仿真类软件Adams的联合仿真,验证了所设计的状态观测器的精度能够满足车辆安全稳定系统的算法设计中的要求。     

基于扩张状态观测器和反步法的非线性超空泡航行体纵向控制

考虑空泡记忆效应的超空泡航行体控制难度较大,主要体现在滑行力的强非线性、模型中的时延特性以及运动中的未知扰动.对于此类多输入多输出的复杂非线性系统,利用传统反步法控制器设计思想,将其改进以适用于超空泡航行体的纵向运动控制.为了对系统模型中存在的未知扰动进行观测补偿,本文设计了线性扩张状态观测器(LESO),将扰动估计值与控制器设计相结合,使用Lyapunov方法分析系统稳定性.最后在不同条件下进行仿真,结果验证了所设计的LESO估计未知扰动的准确性,以及所提控制方法对超空泡航行体纵向控制的有效性.     

基于状态观测器的直接约束鲁棒预测控制

针对多包描述线性离散不确定系统,提出一种在系统状态不可测时的直接约束鲁棒预测控制算法.将控制器与观测器综合设计,利用观测状态直接构造性能指标,通过求解无穷时域性能指标的最小最大优化问题,得到系统的最优状态反馈控制律.采用参数依赖Lyapunov函数,在满足输入和状态约束的情况下保证闭环系统稳定.仿真结果验证了算法的有效性.     

Control of the common rail pressure in gasoline engines through an extended state observer based MPC

In this paper, a model predictive control (MPC) solution, assisted by extended state observer (ESO), is proposed for the common rail pressure control in gasoline engines. The rail pressure dynamic, nonlinear with large uncertainty, is modeled as a simple first order system. The discrepancy of the model from the real plant is lumped as ``total disturbance'', to be estimated in real-time by ESO and then mitigated in the nonlinear MPC, assuming the total disturbance does not change in the prediction horizon. The nonlinear MPC problem is solved using the Newton/generalized minimum residual (GMRES) algorithm. The proposed ESO-MPC solution, is compared with the conventional proportional-integral-differential (PID) controller, based on the high-fidelity model provided in the benchmark problem in IFAC-E-CoSM. Results show the following benefits from using ESO-MPC relative to PID (benchmark): 1) the disturbance rejection capability to fuel inject pulse step is improved by 12% in terms of recovery time; 2) the transient response of rail pressure is improved by 5% in terms of the integrated absolute tracking error; and 3) the robustness is improved without need for gain scheduling, which is required in PID. Additionally, increasing the bandwidth of ESO allows reducing the complexity of the model implemented in MPC, while maintaining the disturbance rejection performance at the cost of high noise-sensitivity. Therefore, the ESO-MPC combination offers a simpler and more practical solution for common rail pressure control, relative to the standard MPC, which is consistent with the findings in simulation.     

Robust tracking control for wheeled mobile robot based on extended state observer

This paper presents a new control scheme on trajectory tracking of wheeled mobile robot with nonholonomic constraints. Extended state observer is introduced to estimate unknown disturbances and velocity information. A robust tracking controller is designed to implement the accurate trajectory tracking and disturbance compensation. By theoretical, position and velocity tracking errors of wheeled mobile robot are proven uniformly ultimately asymptotically stable. Simulation results are given to illustrate the effectiveness of the developed technique.     

线性/非线性切换扩张状态观测器

为了解决非线性扩张状态观测器(NLESO)对大幅度扰动估计能力有限的问题,本文提出一种线性/非线性切换扩张状态观测器.首先分析了非线性扩张状态观测器对大幅度扰动估计能力有限的原因,然后提出在NLESO的非线性区间引入一段线性扩张状态观测器(LESO)弥补NLESO的缺陷,其次从理论上证明了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的收敛性.最后,通过数值仿真验证了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的可行性.     

A hybrid fault prediction method for control systems based on extended state observer and hidden Markov model

Fault diagnosis and prediction for complex control systems rely either on the collection of rich data for training neural networks or on the system models and prior knowledge of faults. These methods are difficult to apply directly in complex integrated systems due to the large uncertainties in practical scenarios. A new fault diagnosis and prediction technique that is based on extended state observer (ESO) and a hidden Markov model (HMM) for control systems is proposed in this paper. Real-time and predictive information that is obtained by ESO of the active disturbance rejection control (ADRC) is utilized to improve the HMM method for the fault prediction of control systems with large uncertain disturbances. The proposed approach realizes a high recognition rate with a small demand for data, and the dependence on the system model is weak without prior knowledge of faults. Fault prediction of the control system output can be realized without additional sensors. The proposed solution is evaluated in simulations of an asynchronous servo motor control system against the traditional control method and the ADRC control. The results indicate that the proposed method performs well in fault prediction and outperforms the traditional method in terms of control when disturbances and failures occur.     

基于广义扩张状态观测器的干扰不匹配离散系统状态反馈控制

针对一类干扰不匹配的线性离散时间系统, 研究基于广义扩张状态观测器的稳定化状态反馈控制器设计问题. 在经典的自抗扰控制器中, 扩张状态观测器主要针对干扰匹配的积分串联型系统. 然而, 在许多实际系统中往往存在干扰不匹配的情况, 例如存在采样抖动的离散时间控制系统. 针对这一问题, 基于一类存在不匹配干扰的离散时间系统, 提出广义扩张状态观测器和相应的稳定化状态反馈控制器设计方法. 最后通过永磁同步电机调速控制仿真实例验证了所设计的观测器和控制器的有效性.