PID控制器在四旋翼飞行控制系统中比较常见,其核心问题之一就是PID参数的整定。常见的调参方法有模糊控制、神经网络及手动调参。针对四旋翼飞行器的PID控制器参数整定困难,提出一种基于混沌粒子群算法的PID参数整定方法: 首先,利用粒子群算法的收敛速度较快及混沌序列的遍历性、随机性以及对初值的敏感性等特性,使得调节PID参数更加快速和准确; 然后,结合自适应惯性权重法,平衡粒子群算法的全局搜索能力和局部搜索能力,在每次迭代过程中,粒子都可以根据各自情况在搜索空间的每个维度上选择合适的惯性权重。仿真实验结果表明,所提混沌粒子群优化算法能够快速、准确地求解所需参数,验证了所提算法的有效性。

对永磁同步电机 (PMSM)调速系统中的时变输入提出具有更高跟踪精确度的改进型自抗扰控制策略。传统的自抗扰控制主要针对阶跃信号进行快速和无静差追踪，对时变信号存在较大的跟踪误差，使自抗扰控制的应用受限。文中对稳态误差的存在原因进行了理论分析，进而设计带有微分前馈和并联线性扩张状态观测器 (P-LESO)的改进型转速自抗扰控制器 (ADRC)，以减小系统的跟踪误差。为进一步实时观测和补偿反电动势和减小电流跟随误差，设计了电流环线性自抗扰控制器。通过 Simulink仿真模型进行验证，该控制系统不仅提高了 PMSM对时变输入的跟踪精确度，而且对阶跃输入也具有很好的动态性能。

针对滑模变结构控制律设计过程中出现的控制参数整定问题, 提出一种基于强化学习的滑模变结构控制参数寻优方法。首先, 根据系统设计了相应的滑模控制律, 并给出了参数选择的范围, 设计了基于Actor-Critic结构的参数在线整定器。然后, 选择TD-Error方法进行求解计算, 并用梯度下降法计算出神经网络权值的更新取值。最后,以固定翼飞行器纵向通道系统为例进行了仿真和实验验证,实验结果说明所提出控制方法减小了控制参数整定的盲目性, 有效提升了系统的动态性能。

本文以高精度伺服系统中的永磁同步电机变速扫描为研究对象, 针对自抗扰控制器中跟踪微分器(trace differentiator, TD)及扩张状态观测器(expansion state observer, ESO)模块的延时响应和参数复杂等缺点, 设计了一种改进的自抗扰控制器, 有效简化了其 TD和 ESO模块并减少可调参数, 以实现内外干扰较大的环境下电机的高精度快速响应。将该控制器应用到某型号项目的伺服摆扫镜机构中, 并将其性能与同条件下传统比例 -积分-微分(proportion-integration-differential, PID)控制器性能作对比。实验结果表明: 改进的自抗扰控制器表现出优于 PID的控制性能, 0°/s～10°/s响应时间 75 ms, 超调小于 6%, 稳态精度达到±1%; 变速跟踪过程转速波动小, 无超调, 扫描周期时间波动小于 0.0014 s, 起始位置角度定位精度高于 0.0015°, 满足型号项目指标要求。改进的自抗扰控制器对其他搭载永磁同步电机实现变速跟踪扫描的系统也有一定的参考价值。

自抗扰控制器对于抑制不确定的扰动有良好的效果, 但其控制器参数较多且整定困难。为了实现自适应的线性自抗扰控制器, 对线性自抗扰控制器的参数整定策略展开了研究。首先, 设计了基于观测误差的线性扩张观测器参数自适应整定算法。接着, 设计了自抗扰控制器线性反馈环节的参数的自适应整定算法。最后, 利用李雅普诺夫方法, 证明上述自适应整定算法得到的参数可以保证扩张状态观测器的观测误差和被控系统最终输出误差都收敛至零。实验结果表明: 精密气浮运动平台低速工况下, 自适应线性自抗扰控制器的参数在0.8 s内即可迅速完成整定计算; 线性扩张观测器观测误差绝对值小于2 nm; 被控精密气浮运动平台的速度波动不大于5%。自适应线性自抗扰控制器实现了控制器参数在线整定, 控制器的性能表现满足要求。

针对半捷联两轴导引头稳定平台，研究了稳定平台的扰动抑制及稳定跟踪功能的实现。对平台进行了系统分析与建模，梳理了系统特性; 从控制需求、被控对象特点、控制技术现状等方面权衡，阐述了选取自抗扰控制技术的原因，概括了自抗扰控制技术的优势。按照跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制律、扰动估计补偿等四大模块，设计控制器并给出了参数整定情况。以传统PID控制为对比，仿真验证了本控制器的性能效果，通过阶跃响应验证抑制扰动效果，输入正弦信号验证稳定跟踪效果，利用蒙特卡罗方法验证被控对象模型参数在基准值上下20%摄动时的控制系统的鲁棒性。实验表明，本控制器抑制扰动效果明显优于传统PID控制，跟踪误差较PID小50%以上，鲁棒性提升约1倍。

高性能的速度闭环控制是精密伺服控制系统的关键。针对速度换向时存在较大的换向误差的问题, 提出了将自抗扰控制器用于精密伺服系统速度闭环的控制中。自抗扰控制器能对系统所受到的内扰和外扰进行实时估计, 且不依赖于对象模型。本文基于控制对象的频域特性, 设计了线性自抗扰控制器, 找到了对象参数 b与谐振频率的关系, 并给出了其他参数的整定方法, 为实验中参数调试提供了依据。最后, 在带宽相同的情况下, 将设计好的自抗扰控制器和常规的 PI控制器分别用于速度闭环, 进行了对比实验。结果表明在输入信号为 0.5°和 1.0°时, 自抗扰控制器均能明显减小换向误差, 提高系统跟踪精度。

半导体激光器输出波长随温度变化而变化，为了使半导体激光器稳定工作，要保持它的温度稳定，而温度PID控制效果与其比例、积分和微分三个参数密切相关，采用粒子群算法对半导体激光器温度PID控制系统参数进行优化，选取控制误差绝对值时间积分函数（ITAE）作为适宜度函数，并与ZieglerNichols算法整定参数进行比较。仿真结果表明，这种优化算法加快了收敛速度，实验中调节时间由150 s降到50 s，超调量由18%降到4%，有效改善了系统的动态性能。

为了克服外部干扰对机载光电陀螺稳定平台的影响, 实现高稳定精度和隔离度, 采用基于伪微分反馈的控制技术对系统的控制性能进行了研究。首先, 介绍了伪微分反馈控制技术的基本结构, 并对其进行了简化。从理论上分析了简化的伪微分反馈控制技术在控制结构和控制性能上较经典 PI控制的优势; 然后, 提出采用试凑法对伪微分反馈控制器进行参数整定的整定策略; 最后, 以某型号机载光电陀螺稳定平台为研究对象, 对伪微分反馈控制器和 PI控制器在抗力矩扰动、隔离载机角速率扰动和控制对象模型摄动等方面进行了仿真对比实验。实验结果表明, 在相同的闭环带宽情况下, 采用简化的伪微分反馈控制器的机载光电陀螺稳定平台的阶跃响应具有更小的超调, 更短的上升和调节时间。在陀螺噪声存在的情况下, 该控制器能够有效地抑制力矩和载机的姿态扰动对系统性能的影响; 并且对被控对象的模型摄动具有较强的鲁棒性。

建立了高精度卫星姿态模拟系统用于光通信地面仿真试验,针对卫星轨迹特点，设计了一种改进的自抗扰控制算法。介绍了自抗扰控制技术的特点和控制原理，提出改进的伺服算法，为自抗扰算法引入了选择性积分项。针对系统±10″动态误差要求，设计了多阈值非线性函数，并添加状态判断模块实时更改非线性函数参数。同时，给出了算法主要参数的整定原则。然后，基于控制器开放伺服功能，给出了自抗扰控制的实现方法和计算流程。实验结果表明：系统具有良好的连续加减速能力，跟踪斜坡信号的动态误差为±6″；经对比，在跟踪卫星姿态轨迹时，自抗扰控制的抗干扰能力优于PID控制，跟随误差达到±7″，满足高精度姿态仿真要求。