无人旋翼机线性自抗扰航向控制

研究无人旋翼机器人在干扰情况下的航向控制问题.无人旋翼机航向动力学包含输入非线性、时变参数和主-尾旋翼之间的强耦合,难以建立精确的数学模型,并且易受外部扰动影响,很难达到良好的控制性能.针对这一问题提出基于线性自抗扰控制(linear adaptive disturbance rejection control,LADRC)的航向控制方法,通过设计扩张线性状态观测器对未知模型和外界干扰进行实时估计并进行在线补偿.以自主研制的无人旋翼机为例,建立其航向动力学方程,把通道间的交叉耦合影响视为不确定扰动,将其与外部干扰作为扩张状态,利用观测器带宽确定观测器增益,设计线性扩张状态观测器来跟踪各阶扩张状态变量,为说明LADRC的有效性,选用PD控制为非线性状态误差反馈控制律实现航向控制.仿真以及试验结果表明在外部扰动或模型结构参数发生变化时控制器仍可获得理想的动态性能,具有很好的适应性和鲁棒性.     

航空相机镜筒位置控制的扰动估计与补偿

在航空相机镜筒速度内环设计了自抗扰控制器,以减小镜筒内偏心凸轮机构的运动对镜筒的扰动.采用扩张状态观测器对扰动进行实时估计,并生成扰动补偿量抵消扰动的影响.首先,分析了凸轮机构的运动对镜筒扰动的特点.然后,建立了镜筒的数学模型,基于带宽的单参数化设计思想设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制律,设计了镜筒位置控制器.最后,在镜筒上对控制器的抗扰动性能进行了验证,并与目前航空相机常用的一阶平方滞后超前校正法进行了比较.结果表明,采用自抗扰控制能将凸轮机构对镜筒的扰动偏差减小为传统方法的50％左右.在提高系统抗扰动性能的同时,控制器增益减小约2个数量级,大大降低了对控制器增益的要求,提高了系统的稳定性,对改善航空相机控制系统的抗扰动性能及降低控制器设计难度具有较高的实用价值.     

腰部外骨骼线性自抗扰控制研究

如今,物流搬运部分行业仍然严重依赖手动搬运.长期的搬运工作会极大地增加腰背肌肉劳损,甚至导致腰椎疾病.随着外骨骼系统的迅速发展,为搬运工开发腰部外骨骼至关重要.文中提出了一种线性扩张观测器的自抗扰控制算法.在搬运物体重量未知的情况下,该算法可以使得腰部外骨骼准确平滑地跟踪腰部运动轨迹.穿戴者搬运物体时,线性扩张观测器近...     

带干扰观测器的航空相机前向像移补偿控制器

研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响,设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰.介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型.采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端.然后,在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制.最后,应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制.与先进的PID方法的比较结果表明:在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40％～60％左右.该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性.     

基于死区补偿的电液位置伺服系统自抗扰控制

针对电液位置伺服控制系统的比例阀死区、参数不确定及外部未知扰动等问题,设计了由自抗扰控制器与死区逆补偿构成的串联控制器.首先基于实验辨识构造死区逆模型对死区进行预补偿,然后根据系统特性设计了一阶自抗扰控制器,构造改进的扩张状态观测器对"总扰动"进行实时估计,并通过非线性控制律给予主动补偿.联合仿真与试验结果表明,所提出...     

四辊卷板机侧辊位移线性自抗扰控制

侧辊位移的精确控制对实现四辊卷板机高效加工至关重要,其核心问题是提高阀控非对称缸电液伺服系统的抗扰能力。由于电液伺服系统具有高度非线性和时变不确定性,传统非线性控制方法很难有效处理包含未知动态、外部扰动以及参数变化等的多源不确定扰动。提出一种四辊卷板机侧辊位移线性自抗扰控制方法。综合考虑各种不确定扰动因素的影响,设计了线性扩张状态观测器进行实时估计,采用状态误差反馈控制律给予主动补偿,并消除跟踪误差,证明了线性扩张状态观测器状态观测误差的收敛性和电液伺服系统的闭环稳定性。试验结果表明,所设计的线性自抗扰控制器能有效抑制电液伺服系统中多源不确定性扰动,实现侧辊位移的快速、精确轨迹跟踪。     

阀控单出杆缸电液伺服系统二阶线性自抗扰控制

为提高阀控单出杆缸电液伺服系统性能,在构建阀控单出杆缸电液伺服系统动态机理模型基础上,提出了一种具有加速度前馈的二阶线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)方法,采用奇异摄动理论分析了闭环系统稳定性,并针对系统响应性能和抗干扰性能与传统PID控...     

基于延迟补偿的永磁同步电机并行自抗扰控制

为了解决永磁同步电机在多工况下转速易受到内外扰动的影响,提出一种基于延迟补偿的并行线性自抗扰控制策略。 针对永磁同步电机可能受到信号处理、逆变器响应等因素从而引入的外部时滞效应的问题,引入 Smith 预估器与自抗扰控制相 结合,使控制系统更加精确、快速地响应内部参数变化和外部扰动。 同时,针对线性自抗扰控制器(LADRC)在有限带宽内其抗 扰性能较差的问题,设计了并行线性自抗扰控制器,在保持其带宽不变与参数易于整定的同时,有效提高其抗扰动能力。 最后, 对自抗扰控制器的稳定性进行了分析,并在此基础上进行了参数设计与扰动性能分析。 仿真与实验结果表明,所提算法相比 LADRC 在电机受到速度阶跃、负载扰动与内部参数变化时,在调整时间上分别提升了 52. 5% 、49. 5% 与 42. 4% ,从而验证了该 控制策略能有效增强永磁同步电机在多工况下抗内外扰动与速度跟踪能力。     

磁悬浮系统的积分滑模自抗扰控制

针对磁悬浮系统存在着非线性、时滞和易受到其它不确定性因素干扰的问题,首先建立了单自由度的磁悬浮系统模型,提出一种基于积分滑模自抗扰的位置控制算法。算法利用扩张状态观测器对悬浮球的位置和未知干扰进行估计,再将估计的位置信息和干扰项用于控制的反馈和控制量的补偿。将积分滑模控制引入到非线性状态误差反馈控制律中,设计了积分滑模自抗扰控制器,并根据Lyapunov理论对控制系统的稳定性进行了证明。仿真结果表明,所设计的积分滑模ADRC控制器实现了对磁悬浮球的位置控制,对系统存在的内外扰动和不确定性具有较强的鲁棒性,同时能对设定位置信息进行跟踪,并有较好的动态特性。     

航空相机纵向像移补偿性能检测

像移补偿机构是航空相机的关键组件。通过建立航空相机纵向像移量、像移速度模型,分析研究纵向像移补偿机构对像移补偿残差的影响特征,提出了运用像移补偿残差做为纵向像移补偿机构故障检测的新方法。经过对实际图像像移残差的实验分析,验证了该方法的有效性,可以实现工作状态下对航空相机的便捷随检。     

TDI-CCD全景航空相机前向像移补偿的数字实现方法

为了提高航空相机的照相分辨率,必须对航空相机拍照时飞行方向上景物与感光介质之间存在相对运动产生的前向像移进行补偿,以使景物与感光介质在拍照过程中相对静止.分析了TDI-CCD全景航空相机产生前向像移的原因、像移补偿精度与伺服系统指标之间的关系,以及补偿机构-反射镜的工作方式;然后,提出了一种基于定点数字信号处理器的控制系统来实时实现前向像移补偿的算法.深入讨论了数字伺服控制系统中的补偿精度、算法选择、相位计算、时间约束等关键问题,并给出了一种适合于工程实际的硬件结构与软件流程.实验结果表明,速度环的稳速误差为0.85%,带来的像移为0.425 μm,位置环的归位时间为0.8 s,满足系统总体要求.     

斜视状态下航空遥感器像移的计算与补偿

航空遥感器成像过程中飞行器的向前飞行和姿态变化,使地面物体发出的光线相对于遥感器的光轴产生运动,从而引起共轭像点的运动,在成像介质上产生像移。运用光线矢量与光轴旋转变换相结合的方法,针对飞行器向前飞行使物体与光轴间发生的平移,以及飞行器姿态变化使光轴方向的改变,建立了光线矢量与光轴单位矢量间的关系,得到了航空遥感器在斜视状态下的像移模型。以实测遥感器的工作参数为条件,分析和计算了遥感器的像移,并给出了像移补偿的方法。实际应用证明光线矢量与光轴旋转变换相结合计算像移的方法,不仅综合了前向像移与姿态像移,而且计算简便,可推广于航空遥感器的研究中。     

面阵彩色航空遥感相机前向像移补偿机构精度分析

考虑航空遥感相机中前向像移补偿机构的运动精度会直接影响相机分辨率,本文对相移补偿机构的补偿精度进行了分析。首先,研究了面阵彩色航空遥感相机的机械式前向像移补偿机构的特点,给出了对应于曝光时间的前向像移补偿速度残差的许用值;其次,分析了影响像移补偿精度的主要误差来源,建立了速度补偿残差的数学模型,并运用MonteCarlo算法对其进行了仿真分析;最后,通过动态目标发生器成像试验对仿真结果进行验证。试验结果显示,前向像移补偿机构的速度补偿残差3σ为395.6μm/s,与仿真分析结果400μm/s基本一致,说明该精度分析方法可以比较准确地确定前向像移补偿精度。     

Fractional active disturbance rejection control

A fractional active disturbance rejection control (FADRC) scheme is proposed to improve the performance of commensurate linear fractional order systems (FOS) and the robust analysis shows that the controller is also applicable to incommensurate linear FOS control. In FADRC, the traditional extended states observer (ESO) is generalized to a fractional order extended states observer (FESO) by using the fractional calculus, and the tracking differentiator plus nonlinear state error feedback are replaced by a fractional proportional-derivative controller. To simplify controller tuning, the linear bandwidth-parameterization method has been adopted. The impacts of the observer bandwidth ω_o and controller bandwidth ω_c on system performance are then analyzed. Finally, the FADRC stability and frequency-domain characteristics for linear single-input single-output FOS are analyzed. Simulation results by FADRC and ADRC on typical FOS are compared to demonstrate the superiority and effectiveness of the proposed scheme.     

航空相机像旋补偿双向控制中的内环补偿器设计

为解决航空相机摆扫成像过程中存在的像旋问题,采用四通道双向控制系统对像旋进行补偿。在系统中,基于鲁棒内环补偿器结构进行了内环补偿器设计。首先利用H∞混合灵敏度优化方法求解鲁棒内环补偿器中的鲁棒控制器,再结合参考模型确定系统的滤波器,进而得到系统化设计的内环补偿器。保证系统鲁棒稳定性的同时尽可能提高干扰抑制性能,进而在两者间折衷提高双向控制像旋补偿精度。实验结果显示,本方法能够有效抑制等效干扰的影响,提高消旋补偿的精度。动态扫描下位置补偿误差的最大值和均方根分别为(1.81×10~(-3))°、(5.224 74×10~(-4))°,与传统设计相比,补偿误差分别减小了41.99%、41.73%,提高了四通道双向控制系统的像旋补偿精度。     

Linear active disturbance rejection control of underactuated systems: The case of the Furuta pendulum

An Active Disturbance Rejection Control (ADRC) scheme is proposed for a trajectory tracking problem defined on a nonfeedback linearizable Furuta Pendulum example. A desired rest to rest angular position reference trajectory is to be tracked by the horizontal arm while the unactuated vertical pendulum arm stays around its unstable vertical position without falling down during the entire maneuver and long after it concludes. A linear observer-based linear controller of the ADRC type is designed on the basis of the flat tangent linearization of the system around an arbitrary equilibrium. The advantageous combination of flatness and the ADRC method makes it possible to on-line estimate and cancels the undesirable effects of the higher order nonlinearities disregarded by the linearization. These effects are triggered by fast horizontal arm tracking maneuvers driving the pendulum substantially away from the initial equilibrium point. Convincing experimental results, including a comparative test with a sliding mode controller, are presented.     

中储式磨煤机制粉系统的自抗扰控制

中储式磨煤机制粉系统是典型的三入三出系统。其具有强耦合。非线性。大惯性的特点。常规的PID很难满足其控制要求。自抗扰控制器是利用非线性控制理论而设计的新型控制器,能实现对被控对象的良好控制。本文利用了自抗扰控制器,设计了基于自抗扰技术的磨媒机制粉系统。仿真结果表明。自抗扰控制器有很强的抗干扰能力和鲁棒性,有很好的使用价值和应用前景。