博文
输入与状态约束下三自由度直升机自抗扰姿态控制
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Active disturbance rejection attitude control for 3-degree-of-freedom helicopters with input and state constraints（输入与状态约束下三自由度直升机自抗扰姿态控制）
三自由度直升机姿态控制中，外部气流扰动、状态关联内部非线性扰动、控制输入与姿态状态物理约束、系统欠驱动耦合等难题叠加，传统控制方法大多预设系统不确定性有界，实用性受限。中北大学、陕西师范大学、福州大学三所高校联合科研，提出一种带输入状态约束的自抗扰姿态控制策略，依托非线性扩张状态观测器估测系统不确定项与姿态角速度，结合反步法与饱和约束技术规避奇异问题。实物实验表明，该方法相比LQR、DOBC控制收敛速度更快、跟踪误差更小、抗扰能力更强，为无人直升机姿态安全控制提供了可行方案。
Active disturbance rejection attitude control for 3-degree-of-freedom helicopters with input and state constraints（输入与状态约束下三自由度直升机自抗扰姿态控制）
作者：Rongxin Duan2,3, Zhi-Liang Zhao1,2, Sen Chen2, Yueyue Xie2
机构：1 中北大学电气与控制工程学院；2 陕西师范大学数学与统计学院；3 福州大学计算机与大数据学院
引用: Duan R, Zhao Z L, Chen S, et al. Active disturbance rejection attitude control for 3-degree-of-freedom helicopters with input and state constraints. Control Theory Technol., 2026. https://doi.org/10.1007/s11768-026-00324-7
摘要
本文研究了同时受外部扰动和状态关联内部扰动影响的三自由度直升机姿态跟踪控制问题。为抑制各类扰动，提出一种基于扩张状态观测器的输出反馈控制器，利用观测器对系统状态关联不确定项与姿态角速度进行估计。同时，在控制器设计中引入控制输入与系统状态约束，提升三自由度直升机系统运行安全性。实物实验结果验证了所提控制方法的有效性。
引言
近年来，无人机在军用与民用领域应用日益广泛，三自由度直升机作为模拟真实无人直升机特性的经典实验平台，其姿态控制成为控制领域研究热点。现有研究多聚焦直升机双通道姿态控制，而包含升降、方位、俯仰的三通道控制受系统欠驱动特性影响，模型存在强耦合难以解耦，控制设计难度大幅提升。输出反馈控制无需配置角速度传感器，可降低系统硬件成本与结构复杂度，现有针对三自由度直升机的输出反馈控制大多预先假设非线性不确定项全局有界，该约束条件较为严苛，难以适配实际复杂工况。此外，受硬件量程与物理结构限制，直升机控制输入电压、姿态角度均存在固有边界约束，若忽略约束易引发系统奇异、失控等安全问题，因此将输入与状态约束纳入控制器设计极具工程价值。基于以上研究现状，本文针对含未建模非线性动态、内外复合扰动的三自由度直升机，在放宽不确定性有界假设的条件下，融合自抗扰控制与反步法，设计带输入和状态约束的输出反馈控制策略。本文主要研究贡献如下：
（1）针对含未知状态关联非线性扰动、未建模动态的三自由度直升机，设计自抗扰控制方案，无需预先假设非线性不确定项全局有界，突破了传统控制方法的局限性。
（2）将控制输入约束与系统姿态状态约束融入反步控制器设计，通过饱和约束不等式限制规避系统奇异与不可控工况，提升方法实际工程适配性。
（3）构建非线性扩张状态观测器，实现系统复合扰动与姿态角速度的精准估计，仅依靠输出反馈即可完成三通道姿态跟踪控制，降低传感器配置需求。
结论
本文针对存在外部扰动、状态关联内部不确定性以及输入与状态约束的三自由度直升机系统，开展姿态跟踪控制研究。设计了基于非线性扩张状态观测器的自抗扰输出反馈控制器，结合反步法与二阶连续可微饱和函数处理输入、状态约束，有效避免控制器奇异问题。通过有限时间有界性分析与Lyapunov稳定性理论，证明闭环系统跟踪误差最终一致有界，且姿态角度、控制输入始终满足预设约束范围。搭建Quanser三自由度直升机实物实验平台，与 LQR、DOBC 两种经典控制方法开展对比测试，有无外部扰动工况下，所提方法在收敛时间、最大跟踪误差、稳态误差等指标上均具备明显优势。未来可进一步将有限时间控制理论与该策略结合，探究三自由度直升机有限时间高精度姿态控制方法。
作者介绍
段荣鑫，于2021 年获山西大学应用数学学士学位，2025 年获陕西师范大学应用数学硕士学位，目前在福州大学攻读电子信息专业博士学位。主要研究方向为非线性控制、自抗扰控制及其工程应用。
赵志良，分别于 2003 年、2007 年、2012 年获陕西师范大学、华中科技大学、中国科学技术大学数学专业学士、硕士、博士学位，现任中北大学电气与控制工程学院教授。主要研究方向为稳定性理论、非线性系统控制、自抗扰控制。
陈森，2014 年获北京航空航天大学数学学士学位，2019 年获中国科学院数学与系统科学研究院运筹学与控制论博士学位，现任陕西师范大学数学与统计学院助理教授。主要研究方向为自抗扰控制、强化学习。
谢悦悦，现为陕西师范大学数学与统计学院信息与计算科学专业本科生，预计 2027 年毕业。主要研究方向为非线性系统控制、自抗扰控制应用。
相关链接
Control Theory and Technology 2024-2025年期刊合集（中文介绍）
2024-2025刊期合集（英文）
Volume 23 (February - November 2025)
Issue 3, 2025 - Special issue on ADRC: New ADRC developments in Ibero-America
Volume 22 (February - November 2024)
Issue 3, 2024 - Special issue on analysis and control of complex systems in honor of the 90th birthday of Professor Huashu Qin
Issue 2, 2024 - Special issue on system identification and estimation
期刊简介
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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目I期(2021-2024年)和II期，2022-2025年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。
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