自抗扰控制器优化设计及其应用
相对位置和姿态动力学耦合航天器的自抗扰控制器设计
相对位置和姿态动力学耦合航天器的自抗扰控制器设计
相对位置和姿态动力学耦合航天器的自抗扰控制器设计
慢旋非合作目标在轨服务任务中,在轨服务航天器不仅需要悬停在目标自旋轴上方保持相对位置不变,而且需要与非合作目标同步慢旋保持姿态一致.此时需要保持的相对位置在目标本体坐标系中为常量,在目标本体坐标系下建立相对位置动力学模型,使相对位置控制系统成为调节系统.然后,建立基于相对姿态四元数的姿态动力学模型,并给出推力偏心力矩的数学描述.基于扩展状态观测器、过渡过程安排技术和非线性反馈控制技术,设计姿态和轨道耦合系统的自抗扰控制器.仿真结果表明自抗扰控制器在解决存在非线性和耦合特性的相对位置和姿态耦合系统的控制问题上能够取得理想的控制效果,具有较高的控制精度和较快的系统响应.
作者：刘智勇何英姿 LIU Zhiyong HE Yingzi 作者单位：北京控制工程研究所,北京100190;空间智能控制技术国家级重点实验室,北京100190 刊名：航天控制ISTIC PKU英文刊名：AEROSPACE CONTROL 年，卷(期)：2010 28(2) 分类号：V448.2 关键词：相对位置相对姿态耦合系统自抗扰控制器。
自抗扰控制介绍
k
x2
k
1
x2
k
hf
h是采样时间，减小h可以提高跟踪性能，但是也会放大噪声！
21
跟 踪 阶 跃 信 号 ， r=10,h=0.01 1.4
速度曲线 3.5
3 1.2
2.5 1
2
0.8
1.5
0.6
1
0.5 0.4
0
0.2 -0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
缺陷：系统进入稳态后就会产生不能令人满意的高频颤振！
因为连续函数的最优函数不再是该函数离散化后的最优函数。
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改进的算法fhan
u fhan x1, x2, r, h
d rh
d0 hd
y
x1
hx2
a0 d 2 8r y
a
x2
a0
2
d
sign
y
x2
y h
fhan
rsign
r
a d
a,
,
a a
d d
, y d0 , y d0
40
e1 v1 z1, e2 v2 z2
u0 1e1 2e2
u0 u0
1 fal e1,1, 2 fhan e1, e2 , r, h1
fal
e2 ,2 ,
,0
1
1 2
u0 fhan e1, ce2 , r, h1
u
u0
z3 b0
, or,
u
不稳定过程的自抗扰控制设计及整定
自抗扰控制是一种有效的控制方法，用于稳定和控制不稳定过程。
在不稳定过程中，由于存在各种扰动（如外部干扰、传感器误差等），系统可能会失控或不稳定。
自抗扰控制利用系统自身的反馈和修正机制，降低扰动对系统的影响，从而确保系统稳定和控制。
自抗扰控制的设计和整定过程如下：
确定系统的动态特性和控制目标：了解系统的动态特性，确定控制的目标，如稳定或跟踪参考信号等。
建立控制模型：根据系统的动态特性，建立系统的控制模型，该模型应该包括系统动态、输入输出关系和扰动模型。
设计抗扰控制器：根据系统动态特性和扰动模型，设计合适的抗扰控制器。
自抗扰控制器应该具有“自适应”和“自修复”等机制，以确保系统的稳定性并减小扰动的影响。
参数整定：调整控制器参数，使得系统能够快速、平稳地响应参考信号，并对扰动具有良好的抑制效果。
整定方法可以基于试错法、频域分析法、系统辨识法等方法。
实时验证和优化：将控制器实施到实际系统中，通过实时数据采集技术验证控制效果，并根据实际情况对控制器参数进行优化。
总之，自抗扰控制的设计和整定过程需要专业的工程师和控制专家，需要对系统的动态特性和扰动模型有深入的了解，才能实现对不稳定过程的稳定控制。
自抗扰控制介绍
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
可以把任意 a1 , a2
的系统无超调跟踪阶跃响应
0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time(s) 3 3.5 4 4.5 5
12
利用正弦函数来安排过渡过程
1 t 1 1 sin , t T0 trns T0 , t 2 T0 2 , t T0 1
• 为什么要安排过渡过程 • 跟踪微分器的前世今生
7
为什么要安排过渡过程
1.直接以e=v-y的方式产生原始误差不太合理。
PID控制的精髓是基于误差反馈来消除误差。
初始时刻 y 0 ，误差很大，很容易使系统产生超调。
8
x a1 x v0 a2 x y x
14
安排过渡过程后控制器参数变化影响
安 排 过 渡 过 程 微 分 信 号 的 PD控 制 1.4 kp=10,kd=12 kp=10,kd=120 kp=10,kd=240 1.4 kp=10,kd=12 kp=100,kd=12 kp=1000,kd=12 安 排 过 渡 过 程 微 分 信 号 的 PD控 制 1.2 1.2
Output
Transition process 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
T0 是过渡时间
0
1
2
3
4
5 Time(s)
6
7
8
9
10
13
1 t 1 1 sin , t T0 trns T0 , t 2 T0 2 , t T0 1
自抗扰控制介绍
Transition process 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
T0 是过渡时间
0
1
2
3
4
5 Time(s)
6
7
8
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10
13
1 t 1 1 sin , t T0 trns T0 , t 2 T0 2 , t T0 1
若使系统无超调，则满足 a1 r 2 , a2 2r 即
kd 2
a k a
1 p
2
11
举例
a1 =2, a2 =2
1 0.9 0.8 0.7 0.6 kp=2,kd=2 kp=14,kd=6 kp=62,kd=14
增大比例项，同时增大微分系数 ，快速性提高同时无超调。
Output
29
• 根据测量到的系统输入（控制量） 和系统输出（部分状态变量或状 态变量的函数）来确定系统所有 内部状态信息的装置就是状态观 测器。
30
对于二阶线性系统
x1 x2 x2 a1 x1 a2 x2 bu y x 1
1
1
0.8
0.8
Output
0.6
Output
0 1 2 3 4 5 Time(s) 6 7 8 9 10
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0
1
2
3
4
5 Time(s)
6
7
8
9
10
15
小结
1. 安排过渡过程可以有效解决超调和快速性 矛盾。 2. 安排过渡过程使误差反馈增益(P)和误差微 分反馈增益 (D) 的选取范围扩大，从而参 数整定更为方便。 3. P 和 D 能适应对象参数范围扩大，即控制 器的鲁棒性更强。
线性自抗扰控制器在粗纱机卷绕速度控制中的应用
线性自抗扰控制器在粗纱机卷绕速度控制中的应用1．引言纺纱工程现代化的趋向是高速、高效、大牵伸、大卷装、自动化、连续化、机电一体化。
粗纱机作为传统纺纱体系中不可缺少的工序，传统的单机传动方式是由一个主电机通过若干轮系分别传动牵伸机构，结构十分复杂。
一方面机械传动效果并不精确，另一方面耗用较多的动力。
目前，新型粗纱机由电子计算机控制的四个变频调速电机，分别传动牵伸系统、筒管系统、锭翼系统及龙筋升降系统，使粗纱的牵伸、卷绕成形完全受控于电子计算机。
计算机根据粗纱工艺及卷绕成形的软件指令控制各电机的速度，精确完成粗纱的卷绕。
为保证粗纱卷绕质量，粗纱在卷绕过程中要保持一定张力。
目前对粗纱卷绕张力控制最实用的方法就是控制筒管转速随着粗纱卷绕半径不断的变大而逐渐降低，从而保持粗纱卷绕线速度恒定。
本文将简化的线性自抗扰控制器应用在筒管转速控制中，可以提高卷绕线速度的稳定性，有效地减少断纱，提高粗纱卷绕质量。
试验结果证明了简化的线性自抗扰控制在实际工程中的实用性。
2．粗纱机卷绕线速度控制当前粗纱机的发展趋势是四单元传动取代传统的单机传动系统。
四个电机由上位计算机控制，分别传动罗拉牵伸系统，筒管系统，锭翼系统以及龙筋升降系统，使粗纱的牵伸和卷绕成形完全受控于计算机。
通过计算机控制，粗纱卷绕线速度保持恒定，并与前罗拉线速度保持一定关系，从而维持卷绕张力保持恒定。
锭翼转速在纺纱过程中保持不变，并决定纺纱速度快慢，是其它三部分速度设定的依据；罗拉速度与捻度有关；龙筋速度与粗纱卷绕速度有关；筒管的回转速度由恒速部分和变速部分组成，筒管的恒速部分跟锭速相等，筒管变速部分为卷绕速度，与筒管的卷绕直径成反比。
因此筒管的转速控制是粗纱机传动系统控制的关键。
设筒管变速部分即筒管卷绕转速为，卷绕线速度为，卷绕直径为，同时考。
自抗扰控制器设计原理
自抗扰控制器设计原理自抗扰控制器设计原理1非线性跟踪微分器跟踪微分器(tacking-differentiator, TD)是这样的一个非线性动态环节：对于输入信号v(t)，它将在平均收敛和弱收敛意义下，输出信号v(t)及其高阶导数(或广义导数)的光滑逼近。
本文采用二阶TD的离散算法，即其中，h为步长；h为滤波因子；r为速度因子。
本文设计的气压伺服自抗扰控制器中，TD主要有两个作用：一是在伺服定位控制中利用TD控制过渡过程，降低系统起始误差。
根据定位信号和系统所能承受的“能力”，利用TD控制一个合适的过渡过程，使系统的输出跟踪这个控制的过渡过程，就可实现快速而又无超调地跟踪阶跃信号的目的，并且使控制器的鲁棒性和适应性得到较大改善。
二是提取输入信号的微分(速度)。
作为前馈参与控制，减小控制系统响应的相位滞后。
2 扩张状态观测器扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心，其作用是利用系统输出，估计受未知外扰作用的非线性不确定对象的扩张状态，以实现反馈控制及扰动补偿。
针对式(4)，设系统变量：x1=x，x2=x，x3=x；系统输出y=x。
则系统状态方程可写为定义系统总扰动为扩张状态：x4=a(t)=f(x，x，x，w(t)) (3)系统的扩张状态方程为根据式(4)，设计四阶扩张状态观测器，其离散算法如下：合理配置式(5)参数，使其稳定，则Z21、Z22和Z23分别实时跟踪系统的状态x1,x2和x，而Z24实时跟踪系统的总扰动即扩张状态a(t)。
3 气压伺服系统自抗扰控制器自抗扰控制器是基于跟踪微分器安排过渡过程，利用扩张状态观测器估计系统状态、模型和外扰，并采用非线性状态误差反馈控制规律的一种非线性控制器，在线性系统理论中，状态反馈控制采用的是系统状态的线性反馈组合，而在ADRC中采用了状态误差的非线性反馈组合。
非线性反馈函数具有小误差、大增益和大误差、小增益的特性，其控制规律为实时观测系统的总气压伺服系统自抗扰控制总结构如图1所示，Z24/b反馈到系统来补偿系统的实时总扰动。
自抗扰技术的 TT 优化控制研究
自抗扰技术的 TT 优化控制研究罗威老师，您好！本次我为您带来一篇关于自抗扰技术的 TT优化控制研究的报告。
自抗扰技术（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）是一种新型的控制方法，其目标是实现快速精确的控制，即使在具有复杂动态、不确定性、非线性和耦合的系统中也能够保持良好的控制性能。
ADRC 的实现是通过结合扰动观测器和控制器两个功能单元，通过对扰动的观测和检测，采用预测控制的方法对扰动进行补偿，从而实现系统的优化控制。
TT 优化控制是 ADRC 与传统 PID 控制相结合的一种优化控制方法。
TT 优化控制主要的思想是在 ADRC 中加入 PID 控制器，并对系统进行进一步优化，以进一步提高系统的控制性能。
TT 优化控制通过结合 ADRC 和 PID 控制器，兼顾两者的优点，既能够保持 ADRC 的高精度和快速响应，又能够实现 PID 控制的良好稳定性和可调节性。
研究表明，TT 优化控制不仅能够适应多变的系统，而且能够较好地解决常规控制方法在面对难确定性动态系统时的问题，提高系统控制的稳定性和效率。
TT 优化控制具有以下特点：1. 响应速度快：TT 优化控制能够在不损失稳定性的前提下实现极快的响应速度，进一步提高了系统的控制效率。
2. 稳定性高：TT 优化控制结合了 ADRC 和 PID 控制器的优点，能够实现优异的稳定性，不会发生系统震荡、过冲等问题。
3. 适应性强：TT 优化控制能够应对多变的系统，具有较强的适应性，能够适应不同环境、不同负载情况下的系统，保证系统的稳定性。
4. 调节性好：TT 优化控制不仅能够适应多变的系统，而且能够实现系统的灵活调节，进一步提高了系统控制的可调节性。
总之，TT 优化控制是一种优秀的控制方法，它将传统 PID 控制与 ADRC 相结合，以适应多变的系统，并通过优化控制，进一步提高系统的控制性能，从而实现系统的快速、精确控制。