线性扩张状态观测器的观测误差讨论

给出一种量化表述线性扩张状态观测器(LESO)观测误差的近似方法.通过线性化“总扰”项,从时域内推导出LESO的观测误差解析式,包括动态响应部分和稳态静差部分.进而提出将静差解析式作为观测误差的量化表达式,并使用该方法讨论LESO取不同构建方式对观测精度产生的影响,分析建模不准确、输入量存在偏差情况下观测器的容错能力.仿真结果很好地验证了讨论结论的正确性,从而间接证明了将量化表达式作为一种描述LESO观测精度的近似方法的可行性.     

基于反双曲正弦函数的扩张状态观测器

首先,采用反双曲正弦函数设计一种三阶扩张状态观测器,利用Lyapunov函数证明三阶扩张状态观测器误差系统渐近稳定;然后,利用反双曲正弦函数选取扩张状态观测器初始阶段的参数,以抑制微分峰值现象;最后,通过仿真实验结果,表明了所提出的三阶扩张状态观测器能够获取二阶系统各状态变量和非线性扰动高精度的估计值,而且能够较好地抑制微分峰值.     

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.     

自适应扩张状态观测器收敛性分析与应用

为了实现自适应扩张状态观测器理论分析的简洁和工程应用的直观,本文提出了一种自适应扩张状态观测器(adaptive extended state observer, AESO),并给出了收敛性证明过程.然后,将其应用到直线电机伺服系统中,设计了基于AESO的PD控制器.实验结果表明,提出的AESO可以准确估计系统的状态和受到的干扰,并且可以消除高增益线性扩张状态观测器固有的峰化现象,同时还验证了设计的观测器–控制器的有效性.     

线性/非线性切换扩张状态观测器的收敛性和稳定性分析

线性/非线性切换扩张状态观测器(linear/nonlinear switching extended state observer, SESO)是为追求更高的控制精度和抗扰能力,在进行状态估计时根据状态误差大小在线性扩张状态观测器(linear extended state observer, LESO)和非线性扩张状态观测器(nonlinear extended state observer, NLESO)之间进行切换的一种扩张状态观测器.但由于该算法存在非线性结构,目前还没有从频域角度对该方法进行收敛性和控制系统稳定性分析的相关研究.针对此问题,以二阶系统为研究对象,首先对SESO的结构及参数选择进行了介绍,然后,分别采用等效增益法和描述函数法,从频域角度对了其状态估计误差的收敛性和基于SESO的自抗扰控制系统的稳定性进行了研究.结果表明,三阶SESO具有良好的收敛性,能实现对系统状态和"总扰动"的误差估计,并且选择适当的SESO参数,可避免极限环的产生.     

基于有限时间输出反馈的线性扩张状态观测器

为快速、准确地观测系统中的未知扰动及状态, 提出一种有限时间线性扩张状态观测器(Finite-time linear extended state observer, FT-LESO), 它具有期望的收敛性能且结构简单、易于设计. 假设系统的状态无法量测, 观测器设计问题转化为扰动下的输出反馈控制问题. 针对该问题, 提出一种扰动下的有限时间线性输出反馈控制方法, 得到控制器参数与闭环系统状态向量2-范数间的解析关系. 在此基础上, 提出有限时间线性扩张状态观测器, 得到观测器参数与观测误差收敛速度及稳态观测误差间的解析关系, 给出一充分条件保证观测误差有限时间有界、且能以不低于指数收敛的速度收敛到给定范围内, 为观测器参数设计提供理论依据. 通过数值仿真验证提出的观测器, 仿真结果与理论分析相符, 提出的观测器是有效的.     

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。     

线性时变离散系统的状态观测器

本文放弃了Ｌｕｅｎｂｅｒｇｅｒ状态观测器理论对系统完全可观测性的要求，提出了一般线性时变离散系统的状态观测器设计方法，并对ｊ＝ｉ，ｉ－１给出了系统完全（ｉ，ｊ，Ｔｉ）－可重构这一新概念的充要条件。     

基于双曲正切函数的二阶时变参数扩张状态观测器

当传统扩张状态观测器(ESO)的状态初值与系统的状态初值相差较大时,普遍存在微分峰值现象.为了消除这种现象,本文给出了用双曲正切非线性函数构造ESO的一般形式,并且用Lyapunov函数证明了二阶ESO的误差系统为渐近稳定.然后又利用双曲正切函数自身的饱和特性,设计出一种时变ESO,可以实现微分峰值的有效抑制.最后,把这种ESO的仿真结果与经典ESO的仿真结果进行对比,表明这里提出的ESO能够有效抑制微分峰值现象,并可以获得系统状态变量和非线性扰动的精确估计.     

用于带有量测噪声系统的新型扩张状态观测器

提出了扩张状态观测器的一种新的形式,用于处理量测环节带有噪声干扰时的情况.ESO可以对不确定系统中的内外扰动进行观测,并以此为基础构成自抗扰控制器.但其性能会受量测噪声的影响.本文利用滤波器消除噪声的影响,并把已知的滤波器方程扩展到原有的ESO中,以补偿滤波器对实际输出信号的偏移作用.数字仿真表明,该方法可以有效的解决输出噪声对扩张状态观测器的影响.     

扩张状态观测器的性能与应用

研究自抗扰控制方法中的扩张状态观测器(ESO)。通过频域分析可得出该观测器性能随频率升高而逐渐衰减的结论,衰减程度取决于观测器的参数和系统的采样频率,并指出对现有的参数配置方法加以改进可以获得补偿性能更好的观测器。提出了一种非线性扩张状态观测器,在同等采样率条件下能够提高观测器的跟踪性能。仿真结果表明,所提出的状态观测器与现有的观测器相比,在主动控制中效果更好。     

迭代扩张状态观测器及其在迭代学习控制中的应用

针对一类迭代学习控制(ILC)系统的不确定项,根据时域中扩张状态观测器的思想,提出迭代域中线性迭代扩张状态观测器(LIESO),该线性迭代扩张状态观测器可以利用迭代过程的跟踪误差给出迭代学习控制系统的不确定项的显式估计。给出了基于该估计的迭代学习控制算法,并应用类Lyapunov方法证明其收敛性。仿真结果表明,所提出的迭代学习控制算法是有效的,应用迭代扩张状态观测器可以大幅度提高迭代学习效率。     

高阶线性自抗扰控制器的性能评估

以二阶系统为研究对象,在线性扩张观测器(LESO)的基础上,给出高增益形式的高阶LESO.基于高阶线性自抗扰控制器(HLADRC)二自由度闭环传递函数和频域特性曲线,证明了其状态估计误差的收敛性以及高阶线性自抗扰控制器的稳定性.同时,系统地分析了输入增益和模型参数不确定性对稳定鲁棒性的影响,推导出满足系统稳定条件的参数??的稳定域以及系统干扰抑制动态特性与带宽的关系.最后,通过与线性自抗扰控制器(LADRC)的对比仿真表明, HLADRC在干扰抑制方面具有很大的优势,而LADRC在稳定鲁棒性和控制品质方面具有更好的效果,从而为工程设计提供了理论依据和实践参考.     

Robust dynamic surface trajectory tracking control for a quadrotor UAV via extended state observer

In this paper, we present an extended state observer–based robust dynamic surface trajectory tracking controller for a quadrotor unmanned aerial vehicle subject to parametric uncertainties and external disturbances. First, the original cascaded dynamics of a quadrotor unmanned aerial vehicle is formulated in a strict form with lumped disturbances to facilitate the backstepping design. Second, based on the separate outer‐ and inner‐loop control methodologies, the extended state observers are constructed to online estimate the unmeasurable velocity states and lumped disturbances existed in translational and rotational dynamics, respectively. Third, to overcome the problem of “explosion of complexity” inherent in backstepping control, the technique of dynamic surface control is utilized for trajectory tracking and attitude stabilization, and with the velocity and disturbance estimates incorporated into the dynamic surface control, a robust dynamic surface flight controller that guarantees asymptotic tracking in the presence of lumped disturbances is synthesized. In addition, the stability analysis is given, showing that the present robust controller can ensure the ultimate boundedness of all signals in the closed‐loop system and make the tracking errors arbitrarily small. Finally, comparisons and extensive simulations under different flight scenarios are performed to validate the effectiveness and superiority of the proposed scheme in accurate tracking performance and enhanced antidisturbance capability.     

修改型扩张状态观测器:分析与实现

利用系统已知信息构造的扩张状态观测器(extended state observer,ESO)称之为修改型扩张状态观测器.本文完善了修改型扩张状态观测器(modified extended state observer,MESO)的假设条件,并分析了相对于常规的扩张状态观测器,修改型扩张状态观测器估计精度更高的原因.针对系统模型参数不确定情况,提出了基于最小二乘法的修改型扩张状态观测器实现方法,并详细论述了最小二乘法在线辨识系统模型的原理.仿真结果与理论分析结果一致,验证了修改型扩张状态观测器理论分析的正确性和实现方法的可行性.     

基于LESO的MMC-RPC反馈线性化直接功率控制

模块化多电平铁路功率调节器作为一个耦合的多变量非线性系统, 传统PI控制的直接功率控制难以实现 对系统的精确解耦. 本文提出了一种基于线性扩张状态观测器的反馈线性化直接功率控制方法, 根据Lie导数构建 了模块化多电平铁路功率调节器(MMC-RPC)两输入/两输出功率仿射模型, 设计了精确反馈线性化功率解耦控制 器. 针对不确定因素等扰动对精确反馈线性化控制效果的影响, 设计了线性扩张状态观测器对扰动进行观测和补 偿, 实现了功率的精确跟踪控制. 最后, 通过MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型对所提控制方法进行了验证.