طراحی کنترلر خطی‌ساز مسیر مبتنی بر مشاهده‌گر حالت توسعه‌یافته تقویت شده با درنظرگرفتن اغتشاش‌های داخلی و خارجی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی هوافضا- دانشکده هوافضا- دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 دینامیک پرواز و کنترل-مجتمع دانشگاهی هوافضا-دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 دینامیک پرواز و کنترل، هوافضا، صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

4 مهندسی برق، دانشکده برق و کنترل، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

این مقاله یک ساختار کنترلی جدید با تلفیق مشاهده‌گر حالت توسعه‌یافته تقویت‌شده و کنترل خطی‌ساز مسیر برای مسئله ردیابی شتاب وسیله هوایی پیشنهاد می‌کند. به‌منظور بررسی پایداری سیستم متغیر با زمان خطی، بر اساس دینامیک خطای ردیابی محاسبه شده از بسط تیلور برای سیستم غیرخطی در امتداد مسیر موردنظر، یک قانون کنترلی مبتنی بر پس‌خورد خطی شده طراحی شده است. برای کاهش حساسیت عملکرد کنترل‌کننده به عدم قطعیت‌ها، مشاهده‌گر حالت توسعه‌یافته تقویت‌شده برای تخمین بردار خطای ردیابی و همچنین عدم قطعیت‌های سیستم شامل اغتشاش‌های خارجی و داخلی به صورت یکپارچه ایجاد شده است. در ادامه پایداری سیستم حلقه بسته پیشنهادی در حضور اغتشاش‌های خارجی و داخلی از طریق توابع لیاپانوف اثبات شده است. در انتها جهت بررسی اثربخشی روش کنترل‌کننده پیشنهادی، شبیه‌سازی عددی و خلبان خودکار شتاب برای وسیله هوایی طراحی و کارایی روش پیشنهادی نسبت به سایر روش‌های کنترلی نشان‌داده‌شده است. نتایج شبیه‌سازی با روش پیشنهادی در مقابل اغتشاش‌های داخلی مانند عدم قطعیت‌ در پارامتر‌های ساختاری، ضرایب آیرودینامیکی و همچنین عدم قطعیت‌های خارجی مانند تندباد نسبت به روش کنترلی مشاهده‌گر حالت توسعه‌یافته تقویت‌شده مبتنی بر فیدبک حالت و کنترل خطی‌ساز مسیر کلاسیک مقاوم‌تر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Enhanced Extended State Observer Based on Trajectory Linearization Control for External and Internal Disturbances

نویسندگان [English]

  • javid Hosseinpour 1
  • S.hossein sadati 2
  • Yosef Abbasi 3
  • Firouz Allahverdizadeh 4
1 Faculty of Aerospace Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Aerospace Engineering -Malek Ashtar University
3 Aerospace, Malek-Ashtar, Tehran, Iran
4 Faculty of Electrical Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Ira
چکیده [English]

This paper proposes a novel hybrid control framework by combing enhanced extended state observer with trajectory linearization control for air vehicle acceleration tracking problems. First, based on the tracking error dynamics derived by Taylor expansion for the original nonlinear system along the desired trajectory, a feedback linearization-based control law is designed to stabilize a linear time-varying system. To reduce the controller performance sensitivity to uncertainties, with partial model information, an enhanced extended state observer is constructed to estimate the tracking error vector, as well as the uncertainties in an integrated manner. The closed-loop stability of the system under the proposed compound scheme is established. Both numerical simulation studies and an application example of air vehicle acceleration autopilot design demonstrate the feasibility and efficacy of the proposed method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Trajectory linearization control
  • Internal and external disturbance
  • Enhanced extended state observer
  • Air vehicle

مراجع

[1] J. Tian, S. Zhang, H. Yang, Enhanced extended state observer based control for missile acceleration autopilot, ISA transactions, 96 (2020) 143-154.
[2] B. Qiu, G. Wang, Y. Fan, D. Mu, X. Sun, Robust path‐following control based on trajectory linearization control for unmanned surface vehicle with uncertainty of model and actuator saturation, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 14(11) (2019) 1681-1690.
[3] Z. Gao, On the centrality of disturbance rejection in automatic control, ISA transactions, 53(4) (2014) 850-857.
[4] L. Guo, S. Cao, Anti-disturbance control theory for systems with multiple disturbances: A survey, ISA transactions, 53(4) (2014) 846-849.
[5] B. Li, Q. Hu, Y. Yang, Continuous finite-time extended state observer based fault tolerant control for attitude stabilization, Aerospace Science and Technology, 84 (2019) 204-213.
[6] K.J. Astrom, B. Wittenmark, Adaptive Control, in, Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc., 1994.
[7] T.M. Adami, J.J. Zhu, 6DOF flight control of fixed-wing aircraft by trajectory linearization, in:  Proceedings of the 2011 American Control Conference, IEEE, 2011, pp. 1610-1617.
[8] B. Zhu, W. Huo, Trajectory linearization control for a quadrotor helicopter, in:  IEEE ICCA 2010, IEEE, 2010, pp. 34-39.
[9] Z. Zheng, W. Huo, Z. Wu, Trajectory tracking control for underactuated stratospheric airship, Advances in Space Research, 50(7) (2012) 906-917.
[10] Y. De-qing, W. Yi-yin, C. Nai-gang, Research on Integrated Design of Guidance and Control for Hypersonic Vehicle Based on Trajectory Linearization Control Method, in:  2019 IEEE International Conference on Unmanned Systems (ICUS), IEEE, 2019, pp. 450-456.
[11] N. Lasemi, H.R. Shaker, Spacecraft attitude control: Application of fine trajectory linearization control, Advances in Space Research, 68(9) (2021) 3663-3676.
[12] D. Mu, G. Wang, Y. Fan, Path Following Control Strategy for Underactuated Unmanned Surface Vehicle Subject to Multiple Constraints, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 17(2) (2022) 229-241.
[13] B. Qiu, G. Wang, Y. Fan, Predictor LOS-based trajectory linearization control for path following of underactuated unmanned surface vehicle with input saturation, Ocean Engineering, 214 (2020) 107874.
[14] Z. Pu, G. Fan, X. Tan, J. Yi, Robust Trajectory Linearization Control of Hypersonic Entry Flight Using Extended State Observer and Time-varying Bandwidth, IFAC Proceedings Volumes, 46(20) (2013) 182-187.
[15] M. Mazare, M. Taghizadeh, Active Fault Tolerant Control of Wind Turbine Systems using Disturbance Observer-based Sliding Mode and Time Delay Estimation, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering,  (2021).
[16] D. Mu, G. Wang, Y. Fan, B. Qiu, X. Sun, Adaptive course control based on trajectory linearization control for unmanned surface vehicle with unmodeled dynamics and input saturation, Neurocomputing, 330 (2019) 1-10.
[17] P. Guo, K. Xu, H. Deng, H. Liu, X. Ding, Modeling and control of a hexacopter with a passive manipulator for aerial manipulation, Complex & Intelligent Systems, 7(6) (2021) 3051-3065.
[18] B. Qiu, G. Wang, Y. Fan, D. Mu, X. Sun, Robust adaptive trajectory linearization control for tracking control of surface vessels with modeling uncertainties under input saturation, IEEE Access, 7 (2018) 5057-5070.
[19] D. Mu, G. Wang, Y. Fan, A Time-Varying Lookahead Distance of ILOS Path Following for Unmanned Surface Vehicle, Journal of Electrical Engineering & Technology, 15(5) (2020) 2267-2278.
[20] S. Xingling, W. Honglun, Trajectory linearization control based output tracking method for nonlinear uncertain system using linear extended state observer, Asian Journal of Control, 18(1) (2016) 316-327.
[21] M. Doostmohammadian, H.R. Rabiee, H. Zarrabi, U.A. Khan, Distributed estimation recovery under sensor failure, IEEE Signal Processing Letters, 24(10) (2017) 1532-1536.
[22] M. Doostmohammadian, U.A. Khan, On the genericity properties in distributed estimation: Topology design and sensor placement, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 7(2) (2013) 195-204.
[23] X. Wu, A nonlinear flight controller design for an advanced flight control test bed by trajectory linearization method, Ohio University, 2004.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 6
شهریور 1401
صفحه 1319-1340

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار