可倾转六旋翼飞行器自抗扰控制技术研究

针对传统的多旋翼存在力和力矩的耦合，难以实现线运动和角运动解耦控制的问题，本文研究设计了一种可六自由度独立控制的倾转六旋翼飞行器（HTR）。为提高控制性能和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HTR构型进行设计，使用牛顿欧拉法建立HTR动力学模型；接着针对HTR过驱动的特性，通过变量代换对控制分配矩阵进行线性化处理；最后将HTR解耦为6个单输入单输出系统的组合，分别设计位姿自抗扰控制器，来克服系统内部存在的不确定因素、通道耦合和外部扰动问题。仿真结果表明，本文设计的自抗扰控制器具有良好的线运动和角运动独立控制能力，提高了系统的控制精度和抗扰性。     

基于自抗扰控制技术的单元机组协调系统

针对单元机组协调系统具有多变量强耦合、非线性及参数时变的特性,提出了基于自抗扰控制技术的单元机组协调系统控制方案.其主要特点是把每个通道的耦合环节看成该通道的外扰,通过自抗扰控制器中的扩张状态观测器对总扰动进行估计,并在控制信号中加以补偿,从而实现了单元机组的解耦控制.通过对一个通用的非线性协调系统模型的仿真研究,表明了该方案具有较好的解耦效果、较快的响应速度和较强的抗干扰能力.     

基于ADRC的无人机纵向通道控制

根据自抗扰控制器不依赖对象的精确数学模型以及能够对系统模型内扰和外界干扰进行补偿的特点,提出了在无人机纵向通道中引入自抗扰控制器的方法。设计的自抗控制器在不同的飞行状态下,不需要改变控制器参数,就能实现对俯仰指令的精确跟踪控制,以及速度回路与俯仰角回路的解耦控制。仿真结果表明,系统具有良好的动态响应和鲁棒性。     

一类沸腾式流化床系统的自抗扰控制

沸腾式流化床系统具有多变量耦合、大时滞、大惯性的特点,而自抗扰控制器(activedisturbance rejection control,ADRC)可以将多回路耦合看作干扰进行实时估计并加以补偿.为此在分析该类系统动态特性的基础上,设计了具有解耦能力的完全分散自抗扰控制器.针对含时滞的回路,并联加入误差的比例,改进了ADRC的控制效果;根据实际对象的控制要求,进行负荷给定值扰动和给煤量扰动仿真实验,与加入静态解耦环节的PI控制效果进行比较.结果表明,对于文中所述的一类多变量系统,本文所设计的自抗扰控制系统结构简单、参数整定方便,并且可以获得良好的控制效果和较强的鲁棒性.     

全向移动机器人自抗扰解耦控制

针对全向移动机器人系统存在的模型复杂、强耦合以及内外随机扰动造成控制困难的问题,提出自抗扰控制方法.以八轮全向移动机器人为例,通过分析运动学、动力学模型,设计自抗扰解耦方法.以非线性函数作为自抗扰控制器各部分的状态反馈,采用扩张状态观测器估计内外随机未知扰动并给予主动扰动补偿.仿真试验表明:与传统PID控制器相比,经过解耦的自抗扰控制器对全向移动机器人具有较好的控制效果,能够抑制未知扰动,提高系统性能.     

放卷张力系统解耦控制器的设计

针对凹版印刷机放卷系统对张力控制稳定性的要求,提出了一种利用自抗扰控制( ADRC)技术来设计张力解耦控制器的新方法.根据放卷系统的工作机理,建立了放卷张力系统的非线性耦合数学模型,用ADRC方法推导了张力系统的解耦模型,得到了系统阶数和静态解耦模型.在放卷张力系统模型的基础上,利用ADRC技术对放卷系统的张力解耦控制器进行了设计.控制器内部鲁棒性和抗干扰性能的对比仿真结果表明,所设计的ADRC解耦控制器可以较好地实现系统的解耦,并具有比传统比例积分微分控制器更好的内部鲁棒性和抗干扰性.     

基于自抗扰控制的SWATH船纵向运动控制

针对具有非线性、强耦合性及参数不确定性的小水线面双体船(small water-plane area twin hull,SWATH)纵向运动多变量控制系统,采用自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)多变量解耦控制方法设计鲁棒镇定控制器.ADRC主要特点是实时估计对象模型摄动和外扰的总和作用量,并在控制回路中加以补偿,实现对象的实时动态反馈线性化.建立了某型号SWATH纵向运动ADRC多变量解耦控制系统,并与线性二次型调节器控制效果进行比较.数值仿真表明,该控制器对模型的不确定性和外部扰动具有较好的鲁棒性和适应能力.     

两电机同步系统的神经网络控制

在对两台感应电机同步系统模型分析的基础上,依据同步系统的结构特点和控制要求,结合人工神经网络的非线性映射、自适应、自学习等能力,提出一种新的基于神经网络的两电机同步系统控制方案,其中神经网络控制器由基于RBF网络整定的自适应PID控制器和神经元解耦补偿器两部分组成.两个自适应PID控制器分别对速度控制回路和张力控制回路进行自适应控制,使系统具有更强的适应能力、更好的实时性和鲁棒性;神经元解耦补偿器综合两控制回路的耦合作用,通过训练网络权值,补偿各回路之间的耦合影响,实现速度和张力的解耦.试验结果表明:采用神经网络控制方法可以实现两电机同步系统中速度和张力的解耦控制,系统具有良好的动静态性能.     

模糊自抗扰控制在凹印机放卷张力中的应用

针对凹印机放卷张力系统多变量、非线性、强耦合、时变的特性,基于系统基本组成元件工作原理的耦合建模方法,建立了张力控制系统的动态数学模型。为了提高张力控制系统的控制性能,在自抗扰技术的基础上,引入模糊控制,提出了张力控制模糊自抗扰控制策略,并对控制系统的解耦性能和抗扰性能进行了仿真研究。结果表明:模糊自抗扰控制策略能够有效抑制外界扰动和系统参数变化的影响,实现恒张力控制;模糊自抗扰控制器实现了张力系统的解耦控制,解决了系统参数整定难的问题。     

动力翼伞系统耦合补偿控制策略研究

动力翼伞系统是具有强非线性、强耦合特性的系统,其精确控制比较困难.动力翼伞系统具有两个控制通道,控制的难度在于纵向推力对下偏控制存在着非线性的强耦合作用,在受到风场干扰时会导致系统耦合加剧,从而在控制过程中引起较大偏差,甚至导致系统失速.本文提出了一种基于耦合补偿的自抗扰控制策略,并将该非线性耦合关系设计为扩张状态观测器中的已知扰动,从而提高了控制器的跟踪性能.在动态耦合补偿的基础上改进控制律,将非线性动力翼伞系统设计成易于控制的独立积分器,从而提高横向轨迹跟踪控制器的抗干扰性和控制跟踪性能.通过仿真实验可验证该控制策略优于传统的自抗扰控制（active disturbances rejection controller,ADRC）和PID控制.      

热连轧活套系统的解耦补偿预测控制

针对热连轧活套系统的强耦合特性,提出一类基于预测原理的交叉解耦控制策略.将一个两输入两输出的强耦合系统分解成两个相互影响的单输入单输出的子系统.基于预测控制原理,在一个周期内,顺序更新每个子系统的控制律,并保留未来的预测控制信息,补偿子系统之间的耦合影响,然后开始新的循环.基于H∞原理,将预测值与实际值的误差作为扰动处理,降低子系统之间的耦合影响,提高控制精度,简化控制器设计,减轻计算机的负担.仿真结果证实了该方法具有较好的解耦效果和控制性能.     

基于轨迹线性化控制方法的全驱动自主式水下航行器轨迹跟踪控制

基于轨迹线性化控制(Trajectory Linearization Control,TLC)方法研究了全驱动自主式水下航行器（AUV）的轨迹跟踪控制.利用微分方程奇异摄动理论中的时标分离思想,将全驱动AUV的轨迹跟踪控制系统分成快、慢回路,分别基于轨迹线性化思想设计出快、慢回路控制器;利用Lyapunov稳定性理论对闭环控制系统进行了稳定性分析,通过AUV爬升转弯过程的仿真验证了该控制方法的有效性.     

基于耦合分析的高超声速飞行器纵向协调控制

为解决高超声速飞行器纵向飞行控制系统设计中的协调问题, 基于高超声速纵向非线性数学模型, 对其状态变量组与输入变量组、 轨迹变量组与姿态变量组之间进行了耦合分析, 根据量化耦合程度提出了一种新型的纵向系统分层协调控制方法。 仿真结果表明, 与传统控制方法相比, 该方法可有效解决高超声速飞行器在轨迹运动、 姿态运动和推进系统之间的强耦合问题, 在保证姿态稳定的基础上, 实现更加平稳和高效的轨迹跟踪。     

基于Legendre伪谱法的3D刚体摆姿态轨迹跟踪控制

研究3D刚体摆在有初始扰动情况下的姿态运动最优控制问题。结合3D刚体摆转动的姿态与角速度特点, 针对外部扰动设计闭环反馈姿态跟踪控制器。首先, 利用Legendre伪谱法规划出3D刚体摆开环的姿态运动轨迹。然后, 将系统的运动方程线性化, 并以3D刚体摆的实际运动姿态轨迹与参考运动姿态轨迹之间的差值作为控制量, 将姿态跟踪问题转换为线性时变系统的姿态调节问题。最后, 对基于 Legendre 伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制的闭环控制方法进行仿真分析, 验证在具有初始扰动情况下算法的有效性。     

小型涵道风扇无人机自适应解耦控制律设计

为解决小型涵道风扇式无人机俯仰通道和滚转通道之间的惯性耦合问题,采用简单自适应控制(simple a-daptive control,SAC)方法对无人机姿态角速度控制回路设计模型参考自适应控制器,使该控制回路在受到不确定扰动和参数摄动的影响下,仍能稳定跟随参考模型输出;同时对所构造参考模型进行串联前馈解耦,以使无人机跟随参考模型同步解耦,进而实现对无人机姿态角速度和自身姿态角的有效控制.仿真结果显示,该控制律能使无人机姿态稳定跟踪参考模型输出,并且有效抑制了被控对象参数摄动带来的不利影响,控制系统具有较强的自适应性和鲁棒性.     

宽带钢冷连轧机动态板形控制策略

在板形板厚解耦设计的基础上,分析了不同控制方案下凸度平坦度控制之间的耦合影响关系,建立了相应的凸度平坦度耦合模型,并对其耦合特性进行了分析比较.然后针对耦合模型特点进行凸度平坦度半解耦设计,以补偿凸度控制和平坦度控制之间的耦合影响关系,进而设计凸度平坦度解耦控制系统,并给出冷连轧机组凸度平坦度解耦控制应用策略,组成完整的动态板形控制系统.控制系统在某厂1 420 mm五机架UCMW冷连轧机组投入使用后,较好地补偿了板形板厚控制、凸度平坦度控制之间的耦合影响关系,板形控制精度明显提高.     

双电机传动定速比控制的反馈线性化方法

针对三相异步电动机系统这一非线性、多变量、强耦合的控制对象，利用非线性几何理论中的反馈线性化方法，实现系统的精确解耦和全局线性化，从而可以利用线性控制理论对分解出来的线性化的转速子系统和转子磁链子系统进行控制，因而比较容易实现定速比控制．利用数字仿真可以证明这一方案是可行的，且系统具有良好的静、动态性能．     

挠性多体卫星姿态动力学与控制

三轴稳定卫星挠性附件的弹性振动和刚性部件的转动与卫星的姿态运动构成耦合的强非线性系统,因此须设计有效的控制律。该文研究了采用反作用飞轮作为执行机构、带有柔性附件和刚性转动部件的整星零动量三轴稳定卫星的姿态解耦控制问题。导出了卫星的多体系统动力学方程,并给出了部分线性化的形式。进一步利用反馈线性化方法将非线性耦合系统解耦,然后对线性化的系统模型进行状态反馈解耦和极点配置。数值仿真结果表明,该文所设计的控制方法具有很高的姿态控制精度和稳定度。     

三相电压型PWM整流器的反馈线性化和滑模控制

建立了同步旋转坐标系下的三相电压型脉宽调制(PWM)整流器(VSR)的非线性数学模型,针对有功电流和无功电流强耦合的特点,提出一种基于该坐标系的电压和电流双闭环控制算法,其中电压外环采用滑模控制算法,电流内环采用状态反馈精确线性化控制策略,最后建立了仿真模型并与传统PI控制进行了仿真对比.结果表明,该复合控制方案结合了两者的优点,使VSR既具有良好的鲁棒性,又能实现无功电流和有功电流的解耦控制,系统能保证很高的功率因数,输出电压恒定,能适应负载的扰动和非线性变化,具有很好的静动态性能.     

基于Lyapunov方法的卫星非线性姿态控制

为研究卫星的非线性姿态控制器设计问题,首先给出了带有非线性耦合项以及环境干扰力矩项的卫星姿态动力学方程,然后基于Lyapunov理论设计了一个新的姿态控制器。该方法克服了由引力梯度力矩项引起的控制系统设计的困难,保证了在引力梯度力矩影响下的姿态控制系统的Lyapunov稳定性,同时可通过选择一个参数使系统状态尽可能接近平衡位置。对卫星的姿态动力学模型没有进行线性化及解耦处理,而是保留了模型中小角度所引起的二阶小量,从而保证了姿态控制精度。仿真结果验证了该控制器的有效性。