CN101339406B - 一种自适应控制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应控制器及方法，针对控制系统中存在很多外界不确定因素，本发明采用了高性能自适应鲁棒控制策略，自适应控制器包括：前馈控制器的输出端分别与位置反馈控制器、干扰抑制器和被控制对象连接；前馈摩擦补偿一端与输入端连接，另一端与位置反馈控制器、干扰抑制器和被控制对象连接。自适应控制方法包括：通过自适应鲁棒干扰抑制器在线检测估计系统干扰并实时给出补偿，前馈控制设计采用零相位误差跟踪法，实现了有限频带内良好的跟踪特性。前馈摩擦补偿提供了系统摩擦非线性的实时校正，提高了系统整体动态性能。采用高性能自适应鲁棒控制器保证了被控制对象运动良好的动态性能与良好的对外干扰抑制能力。

Description

一种自适应控制器及方法

技术领域

本发明自适应控制技术领域，特别涉及一种针对外界不确干扰的自适应鲁棒控制器。

背景技术

地铁屏蔽门系统主要由固定门和站台滑动门两大部分组成。滑动门是乘客上下列车的主要通道，由站台系统控制，与地铁车门同步开合。安装屏蔽门系统的优点是保证地铁运营安全。屏蔽门采用高强度的钢化玻璃为材料，并通过底部支撑和顶部悬挂加强门的抗压能力。屏蔽门需要抗击1500帕斯卡的冲撞和地铁运行时2800帕斯卡的轨道风压。

事实上地铁站台屏蔽门控制系统中存在很多外界不确定因素，如门体运动中的人为突加扰动或轨道风压波动造成的摩擦力波动等问题。如果门机控制系统不能有效地处理这些不确定因素，势必会造成门机运动异常，甚至造成对乘客的伤害。同时摩擦力的非线性影响，也破坏了线性控制律的动态校正效果，导致了门体运动速度跟踪性能变差，严重时会引起门的波动和障碍物检测系统的误动作。

为保证系统正常的协调工作，高性能鲁棒伺服控制器的设计成为屏蔽门日益迫切的需求。设计的目标是无论暂态还是稳态，使得标称跟踪误差接近测量分辨率，并且保证系统具有稳定鲁棒性与性能鲁棒性。特别是当工作条件不断变化时，系统必须具有良好的性能鲁棒性。

自适应鲁棒控制由美国普杜大学Bin Yao提出，并在上世纪90年代形成完整地理论。自适应鲁棒控制(ARC)特别针对参数不确定性和带未知非线性函数的系统给出了高性能鲁棒控制器。这种方法结合了自适应控制(AC)与确定性鲁棒控制(DRC)，如滑模控制(SMC)，利用两者的优点提高系统的性能。ARC以DRC为主要框架，保留了DRC良好的暂态特性与稳态性能，克服了AC在非线性不确定条件下性能的恶化，使控制方法更为实用。同时采用AC，以降低系统的不确定性，而且避免采用不连续的控制率和可能无穷大的开环增益。这样ARC克服了DRC颤动的缺点。ARC以ARC李雅普诺夫函数为基础，利用backstepping技术，建立了对于半严反馈形式的非线性系统高性能控制的理论框架。它可以解决一大类控制问题。

发明内容

针对现有门机控制器无法处理门机外界不确定干扰和摩擦非线性的问题，本发明的目的是采用自适应鲁棒控制方法，用来确保被控制对象运动在不确定干扰和摩擦非线性下的正常运动，为此，本发明提供一种基于自适应控制器及方法。

为满足上述技术要求，本发明提供的自适应控制器，包括：前馈控制器、位置反馈控制器、前馈摩擦补偿器、干扰抑制器，在反馈通道中有干扰抑制器，在前馈通道中有前馈摩擦补偿器和前馈控制器，其中：

前馈控制器，具有第1输入端和第1输出端，所述第1输入端与外部位置指令连接，用于第1输出端输出零相位误差跟踪信号，实现在有限频带内的跟踪；

位置反馈控制器，具有第2输入端和第2输出端，前馈控制器的第1输出端的零相位误差跟踪信号和被控制对象输出端的位置反馈信号相减后，与位置反馈控制器的第2输入端连接，用于第2输出端输出位置反馈控制电压信号μ；

前馈摩擦补偿器，具有第3输入端和第3输出端，所述第3输入端与计算机内部软件生成的位置指令y_d连接，用于第3输出端输出摩擦补偿控制电压信号

干扰抑制器，具有第4输入端、第4a输入端和第4输出端，其中：所述第4输入端，接收第2输出端输出的位置反馈控制电压信号，用于在干扰抑制器做干扰估计；所述第4a输入端，用于接收被控制对象输出端的位置反馈信号；所述干扰抑制器，用于在线对被控制对象进行干扰估计，构造并由第4输出端输出干扰抑制补偿其中-K为反馈增益单元，p为新的控制变量，

为干扰估值，并由第4输出端输出的干扰抑制补偿中的-Kp与第2输出端的位置反馈控制电压信号μ相加、及第2输出端的位置反馈控制电压信号μ减去第4输出端输出的干扰估值

和第3输出端的摩擦补偿控制电压信号

用于形成合成控制电压信号u并与被控制对象的输入端连接，用于控制被控制对象运动。

根据本发明的实施例，所述前馈控制器，第1输出端与由位置反馈控制器与被控制对象组成的新等效系统的输入端连接，用于消除新等效系统的惯性特性，扩展新等效系统带宽；所述位置反馈控制器，采用PD控制器，用于保证位置反馈控制器与被控制对象组成的新等效系统的稳定性。

根据本发明的实施例，所述前馈摩擦补偿器，包括：微分环节单元、库仑摩擦模型单元，其中：

计算机内部软件生成的位置指令y_d接入微分环节单元的第31输入端，将位置指令y_d生成微分信号即速度信号v_d；

库仑摩擦模型单元的第32输入端与微分环节单元的第31输出端连接，用以生成摩擦补偿控制电压信号

补偿被控制对象的摩擦力F_f。

根据本发明的实施例，所述干扰抑制器，包括：反馈增益单元、影响因子输出单元、惯量积分因子单元、有界映射环节单元和积分环节单元，干扰抑制器通过惯量积分因子单元、影响因子输出单元把被控制对象运动的位置输出y、速度输出v、位置反馈控制电压信号μ，利用公式 $p=\stackrel{\·}{y}+\mathrm{\λy}-\frac{1}{J_n}{\∫}_0^t\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$ 整合成新的控制变量p，其中

为位置输出y的导数，即等于速度输出v；λ为影响因子输出单元；J_n为转动惯量的标称值；通过有界映射环节单元、积分环节单元、反馈增益单元对控制变量p进一步整合以形成干扰补偿信号，具体方法是控制变量p经过有界映射环节单元构造干扰变化率

再通过积分环节单元)的处理得到干扰估值

控制变量p经过反馈增益单元形成信号-Kp，构造对被控制对象的干扰抑制补偿

为满足上述技术要求，本发明提供自适应控制方法，控制步骤如下：

步骤1：利用前馈控制器输出的零相位误差跟踪信号和被控制对象的位置反馈信号相减，将其通过位置反馈控制后输出位置反馈控制电压信号；基于经典的稳定性理论设计PD位置反馈控制器，利用PD控制器作为位置反馈控制器，以保证位置反馈控制器与被控制对象组成的新等效系统的稳定性；

步骤2：通过引入干扰抑制器，对被控制对象所受到的不确定外界力矩干扰进行在线估计，并将干扰估计值加入被控制对象的输入端信号u，以补偿外界干扰的影响；设计过程如下：

(1)通过输出影响因子单元，惯量积分因子单元，构造切换函数p：

$p=\stackrel{\·}{y}+\mathrm{\λy}-\frac{1}{J_n}{\∫}_0^t\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ},$

其中

为位置输出y的导数，即等于速度输出v；λ为影响因子输出单元；J_n为转动惯量的标称值；μ为位置反馈控制电压信号；

(2)通过有界映射环节单元构造干扰变化率

${\stackrel{\&CenterDot;}{d}}_l=\left\{\begin{array}{cc}0& \left(\begin{array}{ccc}p>0& {\hat{d}}_l=d_M\mathrm{orp}<0& {\hat{d}}_l=d_m\end{array}\right)\\ \mathrm{\&Gamma;p}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$

其中Γ＞0为干扰估计自适应速率，d_m，d_M为干扰d_l的下界和上界，再通过积分环节单元的处理得到干扰估值

(3)：构造干扰抑制补偿输入

其中-K为反馈增益单元，p为新的控制变量，

为干扰估值，位置反馈控制电压信号μ相加后通过数模转换板输出到被控制对象；

步骤3：采用前馈控制器，接收外部位置指令，输出零相位误差跟踪信号，实现在有限频带内的跟踪，拓展新等效系统的带宽；拓展新等效系统的带宽其机理在于采用零极点对消，提高了运动控制的跟踪精度，对于具有不稳定零点的被控制对象抵消掉不稳定零点之后，零相位误差跟踪还补偿这些零点产生的相位差，获得零相位误差，该零相位误差在被控制对象整个频域内趋近于零，在1-10hz的频域内其传递函数接近1，而只用位置反馈控制器通常只能保证在1-3hz的传递函数接近1，这样就拓展了新等效系统带宽，提高其跟随性能；

步骤4：引入前馈摩擦补偿器先用微分环节对期望轨迹y_d求导得到期望速度v_d，而后采用基于期望速度v_d的摩擦模型

来补偿被控制对象受到的摩擦力，以提高新等效系统的动态性能，摩擦模型

采用库仑模型。

根据本发明的实施例，所述位置反馈控制包括：采用PD校正环节，形成对被控制对象的主体控制信号。

根据本发明的实施例，所述干扰抑制器包括：是把被控制对象的位置输出y、速度输出v、位置反馈器输出μ整合新的控制变量p，并通过有界映射环节单元构造干扰变化率

再通过积分环节单元的处理得到干扰估值最后构造干扰抑制补偿输入

且有界映射环节单元构造的干扰变化率即

的自适应率，具有内在积分饱和的功能，可以保证干扰估值

的有界。

本发明具有的积极效果：

(1)高性能自适应鲁棒控制方法有机地结合RC及AC的优点设计了自适应鲁棒干扰抑制器。它不仅对一般的干扰具有鲁棒性而且在保证系统稳定的前提下还能设计期望的干扰估计暂态过程。仅需调节控制器的参数就可以得到任意快的干扰估计指数收敛速度及最终跟踪误差。由于该干扰抑制器内在的积分饱和作用，保证了干扰估计的稳定性，充分发挥了控制系统在线抗干扰的作用，降低了系统的不确定性，增强了性能鲁棒性。

(2)由于采用了前馈控制器和反馈控制器的组合作用，保证了系统在无外界干扰时，具有较好的跟踪性能和暂态性能。

(3)针对系统的摩擦非线性，自适应鲁棒控制系统也给出了补偿手段，提高了系统动态性能，保证门体运行光滑，配合了系统其他模块(障碍物检测模块)的工作，改善了系统的总体性能与运行可靠性。

(4)自适应鲁棒控制系统的四部分(自适应鲁棒干扰抑制器、位置反馈控制、前馈摩擦补偿、前馈控制器)可以分开独立设计，方便了系统设计。

附图说明

图1是本发明中自适应鲁棒控制器系统结构图

图2是本发明中干扰抑制器结构图

图3是本发明中前馈摩擦补偿器设计

图4是本发明中前馈控制器设计的零相位误差跟踪法(ZPETC)

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的自适应控制器可以对地铁站台屏蔽门门机进行控制，或电梯门机或工业缝纫机或贴片机等系统的控制。

利用本发明，针对地铁站台屏蔽门门机进行控制的自适应控制器，具体实施例如下所述：如图1本发明中自适应鲁棒控制器器结构图所示，包括：干扰抑制器4、位置反馈控制器2、前馈摩擦补偿器3和前馈控制器1。

为了保证系统具有良好的快速动态跟踪性能，引入零相位误差跟踪法ZPETC方法设计前馈控制器1，利用PD控制器来作为位置反馈控制器2，以保证系统的稳定性，同时引入自适应鲁棒干扰抑制器4来补偿外部扰动和对象的不确定性等因素。ZPETC虽然可以使系统得到很好的跟踪性能，但由于它是开环控制，其特性依赖对象模型的准确性。因此通常首先应对被控制对象5进行闭环控制，从而在一定程度上减小由于对象模型的不准确、变化及扰动而使ZPETC前馈控制特性产生的影响。但在门机高性能控制系统中通常存在机械非线性、摩擦、惯量变化、人为干扰及轨道风压干扰等可能引起模型参数的变化。此时采用传统的PID调节器已经不能满足要求。为此，本发明采用基于ARC的自适应鲁棒控制干扰抑制策略，它可以在闭环调节的基础上，进一步减小各种干扰和系统参数变化对系统的影响，使其在所要求的低频段逼近对象名义模型。在此基础上再采用ZPETC补偿整个闭环传递函数，使其相位差为零，幅值接近1。针对系统的摩擦非线性，本发明引入了前馈摩擦补偿器3，实时给出了摩擦补偿，提高了系统高速正反转运动时的跟踪性能。下面详细叙述本发明的实施例的每个部分的内容：

1)如图2所示干扰抑制器4结构，该部分属于数字控制的部分，在工控机中完成，程序采用VC编写，干扰抑制器4，具有第4输入端、第4a输入端和第4输出端，所述第4输入端，接收第2输出端输出的位置反馈控制电压信号，用于在干扰抑制器4做干扰估计；所述第4a输入端，用于接收被控制对象5的位置信号；所述第4输出端，用于在线检测估计被控制对象5的干扰，实时生成并输出补偿外部扰动和被控制对象5的不确定性信息；第4输出端与第2输出端的位置反馈控制电压信号和第3输出端的摩擦补偿控制电压信号连接，用于形成合成控制电压并与被控制对象5的输入端连接，用于控制被控制对象5运动。

所述干扰抑制器4，包括：反馈增益单元41、影响因子输出单元42、惯量积分因子单元43、有界映射环节单元44和积分环节单元45，干扰抑制器4通过惯量积分因子单元43、影响因子输出单元42把被控制对象5运动的位置输出y、速度输出v、控制输出u整合成新的控制变量p；通过有界映射环节单元44、积分环节单元45、反馈增益单元41对控制变量p进一步整合，形成对被控制对象5的干扰的估计；这样处理可以保证干扰估计的稳定性，有效防止自适应参数估计在干扰作用下的发散。所述补偿外界干扰是利用干扰估计形成的校正信号，与位置反馈控制2形成的主体控制电压相加，即在主体控制电压中加入干扰补偿的成分。

具体设计如下表示：

步骤1：通过输出影响因子单元42，惯量积分因子单元43，构造切换函数 $p:p=\stackrel{\&CenterDot;}{y}+\mathrm{\&lambda;y}-\frac{1}{J_n}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}$

步骤2：通过有界映射环节单元44构造干扰变化率通过积分环节单元45的整合处理得到干扰估值

${\stackrel{\&CenterDot;}{d}}_l=\left\{\begin{array}{cc}0& \left(\begin{array}{ccc}p>0& {\hat{d}}_l=d_M\mathrm{orp}<0& {\hat{d}}_l=d_m\end{array}\right)\\ \mathrm{\&Gamma;p}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

步骤3：构造干扰抑制补偿输入

与主体控制输出相加后通过数模转换板输出到门机被控制对象5。

其中：p为切换函数。y为被控制对象5的位置输出，通过光电编码器和数据接口板读入工控机。λ为输出影响因子单元43，数值取0.5。J_n为转动惯量的标称值，μ为位置反馈控制器2输出(后面介绍)。K为反馈增益单元41，数值取3。

为干扰估计值，为干扰变化率，

为干扰估值，d_M，d_m为干扰上下界，取2，-2，Γ为干扰估计自适应速率，数值取3。

如图2所示，被控制对象5的动态模型可以描述为：

$J\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}+B\stackrel{\&CenterDot;}{y}=u+d---\left(1\right)$

或 $y=\frac{G_p\left(s\right)}{s}(u+d),$ 其中 $G_p=\frac{1}{\mathrm{Js}+B}$ 为被控制对象5，J为转动惯量，B为粘滞系数，u为控制输入，d为系统不确定干扰，y为被控制对象5的位置输出。

设计的目标是设计控制输入u，使得从μ到y看起来像标称系统，

$J_n\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}+B_n\stackrel{\&CenterDot;}{y}=\mathrm{\&mu;}---\left(2\right)$

或 $y=\frac{G_p^n\left(s\right)}{s}\mathrm{\&mu;},$ 其中 $G_p^n=\frac{1}{J_{n}s+B_n}$ 为被控制对象5标称模型，J_n为转动惯量的标称值，B_n为粘滞系数的标称值，μ为位置反馈控制器输出。本发明中只考虑系统的有界不连续干扰，所以假设系统不存在参数不确定性，即假定J＝J_n，B＝B_n，这对于很多系统是合理的。

定义切换函数p：， $p=\stackrel{\&CenterDot;}{y}+\mathrm{\&lambda;y}-\frac{1}{J_n}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}---\left(3\right)$

其中 $\mathrm{\&lambda;}=\frac{B_n}{J_n}$ 为输出影响因子。由式(1)、(3)可知：

$J_n\stackrel{\&CenterDot;}{p}=u+d-\mathrm{\&mu;}---\left(4\right)$

当 $\stackrel{\&CenterDot;}{p}=0$ 时，系统可以变为式(2)所示的标称系统。通过u的作用使

尽量小。当所有参数都一致连续时，p→0意味着 $\stackrel{\&CenterDot;}{p}\&RightArrow;0.$ 因此后续的设计中，将通过设计u使p尽量小，从而较少不连续干扰对系统产生的影响。

见图2，设计干扰补偿 $-\mathrm{Kp}+{\hat{d}}_l---\left(5\right)$

其中K＞0，

为干扰估计值。由于d_l有界，则假定d_l∈(d_m，d_M)，其中d_m，d_M已知。

式(5)代入式(4)得：

$j_n\stackrel{\&CenterDot;}{p}+\mathrm{Kp}=-{\tilde{d}}_l---\left(6\right)$

其中 ${\tilde{d}}_l={\hat{d}}_l-d_l$ 为估计误差。式(6)可以看作当采用固定合成干扰估计

时，有界未补偿合成干扰估计误差

与p之间的一阶系统。所以 $\left|p(\&infin;)\right|\&le;\frac{\tilde{d}(\&infin;)}{K},$ 当采用大的K时，可以使p无限小。但实际上，物理系统的带宽是有限的，系统稳定的开环增益是上限的，K不可能太大。当K一定时，实际的跟踪误差p将正比与

因此，为提高系统性能，需要引入自适应机制减少系统的不确定性。

的在线自适应率为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{d}}_l=\left\{\begin{array}{cc}0& \left(\begin{array}{ccc}p>0& {\hat{d}}_l=d_M\mathrm{orp}<0& {\hat{d}}_l=d_m\end{array}\right)\\ \mathrm{\&Gamma;p}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中Γ＞0为自适应速率。显然，这样的自适应率具有内在积分饱和的功能，可以保证：

${\hat{d}}_l\&Element;[d_m,d_M]$ 且 ${\tilde{d}}_l({\hat{d}}_l-\mathrm{\&Gamma;p})\&le;0---\left(8\right)$

显然，是始终有界并且界已知，从而保证了干扰估计的稳定性，有效防止了自适应参数估计在干扰作用下的发散。

取正定函数 $V_a=J_n{p}^2+\frac{1}{\mathrm{\&Gamma;}}{\tilde{d}}_l^2,$ 则它的导数为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_a=2J_{n}p\stackrel{\&CenterDot;}{p}+2\frac{1}{\mathrm{\&Gamma;}}{\tilde{d}}_l{\stackrel{\&CenterDot;}{\tilde{d}}}_l=-K{p}^2+2\frac{1}{\mathrm{\&Gamma;}}{\tilde{d}}_l{\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{d}}}_l=-K{p}^2+2\frac{1}{\mathrm{\&Gamma;}}{\tilde{d}}_l(\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{d}}-\mathrm{\&Gamma;p})=-K{p}^2$

显然，p∈L₂。应用Barbalat定理的推论，得当t→∞时，p→0(标称模型的渐进跟踪可以实现)， ${\tilde{d}}_l\&RightArrow;0$ (干扰估计误差为0)。说明该方法可以很好地在线估计不确定外界干扰，同时干扰估计暂态过程通过参数K可调，可以得到任意快的干扰估计指数收敛速度，进而大为提高干扰作用下的系统暂态性能。

2)位置反馈控制器2的设计：

位置反馈控制器2，具有第2输入端和第2输出端，所述第2输入端与被控制对象5输出端的位置反馈信号和前馈控制器1的第1输出端的零相位误差跟踪信号连接，用于第2输出端输出位置反馈控制电压信号；

基于经典的稳定性理论设计PD位置反馈控制器2。利用PD控制器来作为位置反馈控制器2，以保证位置反馈控制器2和被控制对象5组成的新等效系统11的稳定性。该部分也属于数字控制的部分，在工控机中完成，程序采用VC编写。位置控制指令由前馈控制器1生成，并通过光电编码器和数据接口板将门机运动位置信号读入工控机，与位置控制指令求差后，经过PD控制环节校正输出，形成被控制对象5运动控制系统的主体控制电压，作为主体控制输出，与其他补偿环节(干扰抑制器4，前馈摩擦补偿环节3)的输出，一起通过数模转换板卡进入到门机即为被控制对象。

3)前馈摩擦补偿器3的设计

前馈摩擦补偿器3，具有第3输入端和第3输出端，所述第3输入端与计算机内部软件生成的位置指令连接，用于第3输出端输出摩擦补偿控制电压信号；

见图3本发明中所述前馈摩擦补偿器3，包括：微分环节单元31、库仑摩擦模型单元32，其中：

计算机内部软件生成的位置指令y_d接入微分环节单元31的第31输入端，将位置指令y_d生成微分信号即速度信号v_d；

库仑摩擦模型单元32的第32输入端与微分环节单元31的第31输出端连接，用以生成摩擦补偿估计信号

补偿被控制对象5的摩擦力F_f。

所述前馈摩擦补偿的电压校正，与位置反馈控制2形成的主体控制电压相加，即在主体控制电压中加入了摩擦补偿的成分。其具体步骤如下表示：

步骤1：先用微分环节31对期望轨迹y_d求导得到期望速度v_d；

步骤2：采用基于期望速度v_d的摩擦模型

环节32来补偿系统摩擦力；

基本思想是先用微分环节31对期望轨迹y_d求导得到期望速度v_d，而后采用基于期望速度v_d的摩擦模型

来补偿系统摩擦力。为简化系统实现，摩擦采用下列库仑模型：

${\hat{F}}_f=\left\{\begin{array}{c}f,v_d>0\\ -f,v_d<0\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中f采用离线标定的方法确定。

该部分也属于数字控制的部分，在工控机中完成，程序采用VC编写。期望轨迹y_d，即位置控制指令，由软件根据门机运动功能生成，通过前馈摩擦补偿器3形成摩擦补偿输出，与位置反馈控制器的主体控制输出相加，一起通过数模转换板卡进入到门机即为被控制对象。

4)前馈控制器1的设计

前馈控制器1，具有第1输入端和第1输出端，所述第1输入端与外部位置指令连接，用于第1输出端输出零相位误差跟踪信号，实现在有限频带内的跟踪；所述前馈控制器1，第1输出端与位置反馈控制器2与被控制对象组成的新等效系统11的输入端连接，用于消除新等效系统11的惯性特性，扩展系统带宽。扩展系统带宽其机理在于采用零极点对消，提高了运动控制的跟踪精度，对于具有不稳定零点的被控制对象5抵消掉不稳定零点之后，零相位误差跟踪还补偿这些零点产生的相位移，获得零相位误差，相位差在被控制对象5整个频域内趋近于零，在通常在1-10hz的频带内其传递函数接近1，而只用位置反馈控制器2通常只能保证在1-3hz的传递函数接近1，这样就拓展了系统带宽，提高其跟随性能。

如图4本发明中前馈控制器1的设计，具体步骤包括：

步骤1：由位置反馈控制器2与被控制对象5通过单位反馈组成的新等效系统11，计算新等效系统11的离散闭环传递函数G_c1；

步骤2：设计ZPETC控制器，即前馈控制器1；

该部分也属于数字控制的部分，在工控机中完成，程序采用VC编写。期望轨迹y_d，即位置控制指令，由软件根据门机运动功能生成，通过前馈控制器1设计的上述步骤形成新的控制指令，作为位置反馈控制器的参考输入。

说明：

ZPETC的设计是为了提高运动控制的跟踪精度，Tomizuka提出的ZPETC，基本思想是基于零极点对消。而且，针对那些具有不稳定零点的系统抵消掉不稳定零点之后，ZPETC还可以补偿这些零点产生的相位移，以便获得零相位误差，下面将针对包含不可对消零点的系统来设计ZPETC。

考虑如下新等效系统11的离散闭环传递函数环节，见图4：

$G_{c1}\left(z^{-1}\right)=\frac{y}{r}=\frac{z^{-d}{B}_c^a\left(z^{-1}\right)B_c^u\left(z^{-1}\right)}{A_c\left(z^{-1}\right)}---\left(9\right)$

其中：y为系统输出

r为系统输入

z^-d：闭环系统所造成的d步延迟

B_c ^a(z^-1)：可接受部分，即稳定的零点多项式

B_c ^u(z^-1)：不可接受部分，即不稳定的零点多项式

根据式(9)设计ZPETC控制器，即前馈控制器1为：

$G_{\mathrm{ff}}\left(z^{-1}\right)=\frac{r}{y_d}=\frac{z^d{A}_c\left(z^{-1}\right)B_c^a\left(z^{-1}\right)}{B_c^u\left(z^{-1}\right){\left[B_c^u\left(1\right)\right]}^2}---\left(10\right)$

系统传递函数为： $G=\frac{y}{y_d}=\frac{z^d{B}_c^u\left(z\right)B_c^u\left(z^{-1}\right)}{{\left[B_c^u\left(1\right)\right]}^2}$

当z＝e^jwt时，输入指令与输出响应之间不存在相位差，可达到零相位跟踪控制。当ω→0时，z→1.所以系统在甚低频时，使得y→y_d。上式的相位差在整个频域内趋近于零，在一定频带内其幅值接近1。

综上可以看出，自适应鲁棒门机控制系统的四部分(自适应鲁棒干扰抑制器、位置反馈控制、前馈摩擦补偿、前馈控制器)可以分开独立设计，没有交叉耦合，大大方便了系统设计。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种自适应控制器，其特征在于，包括：前馈控制器(1)、位置反馈控制器(2)、前馈摩擦补偿器(3)、干扰抑制器(4)，在反馈通道中有干扰抑制器(4)，在前馈通道中有前馈摩擦补偿器(3)和前馈控制器(1)，其中：

前馈控制器(1)，具有第1输入端和第1输出端，所述第1输入端与外部位置控制指令y_d连接，用于第1输出端输出零相位误差跟踪信号，实现在有限频带内的跟踪；

位置反馈控制器(2)，具有第2输入端和第2输出端，前馈控制器(1)的第1输出端的零相位误差跟踪信号和被控制对象输出端的位置反馈信号相减后，与位置反馈控制器的第2输入端连接，用于第2输出端输出位置反馈控制电压信号μ；

前馈摩擦补偿器(3)，具有第3输入端和第3输出端，所述第3输入端与外部位置控制指令y_d连接，用于第3输出端输出摩擦补偿控制电压信号

干扰抑制器(4)，具有第4输入端、第4a输入端和第4输出端，其中：所述第4输入端，接收第2输出端输出的位置反馈控制电压信号μ，用于在干扰抑制器(4)做干扰估计；所述第4a输入端，用于接收被控制对象(5)输出端的位置反馈信号；所述干扰抑制器(4)，用于在线对被控制对象(5)进行干扰估计，构造并由第4输出端输出干扰抑制补偿其中-K为反馈增益单元(41)，p为新的控制变量，为干扰估值，并由第4输出端输出的干扰抑制补偿中的-Kp与第2输出端的位置反馈控制电压信号μ相加、及第2输出端的位置反馈控制电压信号μ减去第4输出端输出的干扰估值和第3输出端的摩擦补偿控制电压信号

用于形成合成控制电压信号u并与被控制对象(5)的输入端连接，用于控制被控制对象(5)运动；

所述干扰抑制器(4)，包括：反馈增益单元(41)、影响因子输出单元(42)、惯量积分因子单元(43)、有界映射环节单元(44)和积分环节单元(45)，干扰抑制器(4)通过惯量积分因子单元(43)、影响因子输出单元(42)把被控制对象(5)运动的位置输出y、速度输出v、位置反馈控制电压信号μ，利用公式

整合成新的控制变量p，其中

为位置输出y的导数，即等于速度输出v；λ为影响因子输出单元(42)；J_n为转动惯量的标称值；通过有界映射环节单元(44)、积分环节单元(45)、反馈增益单元(41)对控制变量p进一步整合以形成干扰补偿信号，具体方法是控制变量p经过有界映射环节单元(44)构造干扰变化率

再通过积分环节单元(45)的处理得到干扰估值

控制变量p经过反馈增益单元(41)形成信号-Kp。

2.根据权利要求1所述的自适应控制器，其特征在于，所述前馈控制器(1)，第1输出端与由位置反馈控制器(2)与被控制对象(5)组成的新等效系统(11)的输入端连接，用于消除新等效系统(11)的惯性特性，扩展新等效系统(11)带宽；所述位置反馈控制器(2)，采用PD控制器，用于保证位置反馈控制器(2)与被控制对象(5)组成的新等效系统(11)的稳定性。

3.根据权利要求1所述的自适应控制器，其特征在于，所述前馈摩擦补偿器(3)，包括：微分环节单元(31)、库仑摩擦模型单元(32)，其中：

外部位置控制指令y_d接入微分环节单元(31)的第31输入端，将外部位置控制指令y_d生成微分信号即速度信号v_d；

库仑摩擦模型单元(32)的第32输入端与微分环节单元(31)的第31输出端连接，用以生成摩擦补偿控制电压信号

补偿被控制对象(5)的摩擦力F_f。

4.一种自适应控制方法，其特征在于，控制步骤如下：

步骤1：利用前馈控制器输出的零相位误差跟踪信号和被控制对象的位置反馈信号相减，将其通过位置反馈控制后输出位置反馈控制电压信号μ；基于经典的稳定性理论设计PD位置反馈控制器，利用PD控制器作为位置反馈控制器，以保证位置反馈控制器与被控制对象组成的新等效系统的稳定性；

步骤2：通过引入干扰抑制器，对被控制对象所受到的不确定外界力矩干扰进行在线估计，并将干扰估值加入被控制对象的输入端信号u，以补偿外界干扰的影响；设计过程如下：

(1)通过输出影响因子单元，惯量积分因子单元，构造切换函数

$p:p=\stackrel{\&CenterDot;}{y}+\mathrm{\&lambda;y}-\frac{1}{J_n}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&mu;}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;},$

其中

为位置输出y的导数，即等于速度输出v；λ为输出影响因子单元(42)；J_n为转动惯量的标称值；μ为位置反馈控制电压信号；

(2)通过有界映射环节单元(44)构造干扰变化率

${\stackrel{.}{d}}_l=\left\{\begin{array}{cc}0& (p>0{\hat{d}}_l=d_M\mathrm{orp}<0{\hat{d}}_l=d_m)\\ \mathrm{\&Gamma;p}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$

其中Γ＞0为干扰估计自适应速率，d_m，d_M为干扰d_l的下界和上界，再通过积分环节单元(45)的处理得到干扰估值

(3)：构造干扰抑制补偿输入

其中-K为反馈增益单元(41)，p为新的控制变量，

为干扰估值，干扰抑制补偿输入

与位置反馈控制电压信号μ相加后通过数模转换板输出到被控制对象(5)；

步骤3：采用前馈控制器，接收外部位置控制指令y_d，输出零相位误差跟踪信号，实现在有限频带内的跟踪，拓展新等效系统的带宽；拓展新等效系统的带宽其机理在于采用零极点对消，提高了运动控制的跟踪精度，对于具有不稳定零点的被控制对象抵消掉不稳定零点之后，零相位误差跟踪还补偿这些零点产生的相位差，获得零相位误差，该零相位误差在被控制对象整个频域内趋近于零，在1-10hz的频域内其传递函数接近1，而只用位置反馈控制器通常只能保证在1-3hz的传递函数接近1，这样就拓展了新等效系统带宽，提高其跟随性能；

步骤4：引入前馈摩擦补偿器，先用微分环节单元(31)对外部位置控制指令y_d求导得到期望速度v_d，而后采用基于期望速度v_d的摩擦模型

库仑摩擦模型单元(32)的输入端与微分环节单元(31)的输出端连接，用以生成摩擦补偿估计信号

来补偿被控制对象(5)受到的摩擦力，以提高新等效系统的动态性能，摩擦模型

采用库仑模型。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述位置反馈控制包括：采用PD校正环节，形成对被控制对象的主体控制信号。

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