黑体辐射源广泛用于红外成像系统的校正, 在实际应用中要求黑体空腔在整个腔面区域上具有稳定、均匀的温度场, 为了提高控温精度, 本文设计了一种基于自抗扰控制的黑体辐射源温度控制系统。首先, 基于黑体辐射源的数学模型, 在 MATLAB/Simulink环境下进行 ADRC控制算法的仿真, 并与传统的 PID和 Smith预估计控制算法进行比较。仿真结果表明自抗扰控制算法具有响应快、精度高以及良好的设定值跟踪能力; 其次, 利用 LabVIEW软件的图形化编程实现了离散 ADRC的编程; 最后, 在 Compact RIO实时控制器中实现黑体辐射源的温度控制和实验数据的采集。实验结果表明, 此温控系统提高了黑体控温的精度, 温度稳定性优于 0.03℃/10 min, 并且该算法有着更强的自抗扰能力。自抗扰控制算法通过对系统状态与未知扰动进行实时的观测和有效的补偿, 提高了黑体辐射源的控温品质。

为提升光电稳定平台的快速响应和扰动抑制能力, 设计了基于平台模型的线性自抗扰控制器。通过系统辨识的方法, 获取光电稳定平台的近似模型,然后将获取的模型信息加入到扩张状态观测器设计中, 进行线性自抗扰控制器的设计, 并与未采用模型信息的线性自抗扰控制器进行仿真对比。仿真结果表明: 基于平台模型信息设计的线性自抗扰控制器可有效提高光电稳定平台的响应速度和扰动抑制能力。

为了实现对快速运动目标高精度跟踪, 对光电跟踪系统中的自抗扰控制技术进行了研究。根据速度闭环传递函数, 利用三阶非线性扩张观测器估计系统状态变量, 实现对不确定性因素的补偿, 通过改变位置环被控对象传递函数提高系统的跟踪精度。对系统进行仿真与实验研究, 分析自抗扰控制对光电跟踪系统动态和稳态性能的影响, 与PI控制相对比, 结果表明: 对于高速运动目标, 利用自抗扰控制技术可以将系统的跟踪精度提高7倍左右; 对于低速运动目标, 由于摩擦和系统噪声的影响, 系统的跟踪精度仅提高了4倍左右。若在控制回路中引入相位超前环节, 可以将系统的超调量降低40%, 进一步改善了系统的动态性能, 该技术的实现对于高精度跟踪控制的研究具有重要的应用价值。

提出了一种利用反双曲正弦函数的一阶自抗扰控制器, 以提高永磁同步电机正弦波脉宽调制（SPWM）调速系统的跟踪精度。研究了永磁同步电机转速环的数学模型; 分别设计了一阶跟踪微分器和二阶扩张状态观测器, 利用李雅普诺夫函数分析了它们的收敛性; 构造了转速环的一阶自抗扰控制器, 同时证明了一阶自抗扰控制误差系统的渐近稳定性。最后, 将该新型一阶自抗扰控制器作为永磁同步电机的转速调节器, 分析了自抗扰控制永磁同步电机的SPWM调速系统。仿真实验表明:自抗扰控制调速系统速度阶跃跟踪的调整时间约为0.15 s, 稳态误差小于0.28 r/min; 同一调速系统正弦响应的最大跟踪误差约为17 r/min。与PI控制调速系统相比, 自抗扰控制永磁同步电机调速系统阶跃响应快速而平稳, 无超调, 稳态误差小; 另外, 系统正弦响应的跟踪性能好, 跟踪误差小。

针对传统自抗扰控制器的扰动补偿效果随着扰动频率增加迅速下降的问题，提出了一种基于改进的线性扩张状态观测器的自抗扰控制方法。该方法首先对粗跟踪进行系统分析、简化及辨识；然后对线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证，从理论上指出其不足，提出了一种改进的线性扩张状态观测器；最后将改进的算法与PID调节器相结合，实现了粗跟踪的自抗扰控制。实验结果表明：针对幅度在1°、频率在0.5~2.5 Hz间的外部位置扰动，传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加，扰动隔离度下降非常明显，2 Hz时的提升程度仅为0.5 Hz处的9.5%；而采用改进的算法使扰动隔离度至少提高了4.146 dB，且随着扰动频率的增加，扰动隔离度的提升非常稳定，2.5 Hz时的提升程度与0.5 Hz处几乎一致；此外，该方法有较好的鲁棒性，允许被控对象在20%的范围内变化。理论分析、仿真分析、物理实验均证明该方法的有效性，对类似的光电跟踪系统有一定的参考价值。

对航空光电稳定平台模型进行分析并利用电流环简化了平台模型。阐述了影响平台稳定性的扰动及抑制扰动的方法, 提出一种基于预报修正的自抗扰控制系统。首先, 提出了一种预报修正方法, 采用"先预报, 后修正"的方法来减小扰动观测值的滞后和超调; 然后, 设计了基于二阶扩张状态观测器的自抗扰控制系统, 对扰动进行线性化动态补偿; 最后, 在振动平台上对系统进行了速度稳定实验、目标跟踪实验和鲁棒性分析。结果表明, 与经典的平方滞后超前控制方法相比, 本文设计的控制方法对扰动的隔离度至少提高了5.88 dB。另外, 设计的系统具有很强的鲁棒性, 在系统参数改变±15%的范围内, 仍得到很好的控制效果。由于所设计的控制系统具有很强的实用性和鲁棒性, 在工程实际应用中提高了航空光电稳定平台的抗扰动性能。

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。

介绍了一种应用于高精度跟瞄系统的自抗扰控制器。通过与常规PID比较,对该控制器进行了功能分析,并结合实际系统,分析出其在控制上的优越性;分别采用PID控制器和自抗扰控制器对高精度跟瞄系统的速度环进行了设计。在Matlab仿真和实验验证中得到了一致的结果:自抗扰控制器能改善伺服系统的速度响应特性,可以实现阶跃响应快速无超调。在突发扰动条件下,自抗扰控制器的跟踪精度稳定性和鲁棒性均优于常规PID控制器。

提出一种基于电流环的自抗扰控制新方法以进一步提高航空光电稳定平台的抗干扰能力。首先，利用电流环将硬件电路中复杂的电机模型简化为一阶模型，从而减小了由于参数过大噪声对扰动观测值的影响；然后，采用带宽单参数化的设计方法为简化后的一阶系统设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制规律；最后，在飞行模拟转台中测试了自抗扰控制器对2.5 Hz以内任意频率扰动的抑制能力，并与目前航空光电稳定平台中常用的平方滞后超前校正方法进行了对比。实验结果表明：与传统的平方滞后超前控制器相比，采用自抗扰控制器后系统的扰动隔离度至少提高了6.56 dB；而且随着扰动频率大于0.5 Hz，自抗扰控制器的扰动抑制能力更为明显，扰动隔离度最多可提高12.03 dB。同时，自抗扰控制器具有很强的鲁棒性，允许被控对象参数在15%的范围内任意变化，可满足高精度航空光电稳定平台的性能要求，对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。