CN104536297B - 一种串级自抗扰的多闭环控制方法 - Google Patents
一种串级自抗扰的多闭环控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种串级自抗扰的多闭环控制方法，针对位置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环和位置环，构成了串级自抗扰控制方法，并在速度环和位置环的控制律方面作了改进，改进的实质就是将速度环和位置环设计为PID加扩张状态观测器的自抗扰控制。由于常规非线性自抗扰控制方法参数众多且难以整定，本发明采用线性自抗扰结构，大大减少了需要整定的参数个数，具有结构简单，参数容易整定的优势，能明显减小跟踪位置误差，提高系统的跟踪精度。
Description
技术领域
本发明属于高精度的跟踪控制技术领域，具体涉及一种串级自抗扰的多闭环控制方法。
背景技术
目前所使用的控制系统中，大都采用经典的PID控制器，因其结构相对简单，概念容易理解，并且不依赖于对象模型。但是，随着科技进步和控制品质要求的提高，经典PID技术“不尽人意的缺陷”也慢慢显露出来，这就需要开发出性能比PID控制器更优良的控制器来为新的高、精、尖科技领域服务。
为了进一步改善PID控制器在强干扰及不确定系统中的控制效果，1998年韩京清教授在文献《自抗扰控制器及其应用》(《控制与决策》1998,(01):19-23)中提出了自抗扰控制的概念，自抗扰控制技术在一定程度上颠覆了控制工程中的模型化方法。其精妙的工作机理在方法论上同样具有重要的意义。许多不同领域学者的进一步的理论分析、数字仿真和部分实验都验证了自抗扰控制对非线性、大时滞、环境变化恶劣、强不确定性控制对象都有良好的鲁棒性和适应性。北京控制工程研究所的雷仲谋、吕振铎将自抗扰控制应用于航天器姿态控制；清华大学热能工程系孙立明、李东海、姜学智等人将自抗扰控制应用于火电站球磨机制粉系统中，所得到的计算机仿真结果也都显示了所设计的自抗扰控制器在未知强非线性和不确定强扰动作用下能保证良好的控制精度。
自抗扰控制技术可以分为线性自抗扰和非线性自抗扰，本发明采用线性自抗扰结构，减少了需要整定的参数个数，并将其用于速度闭环和位置闭环，构成了串级自抗扰控制回路。此外，本发明在速度环和位置环的控制律设计方面作了改进，即将速度环和位置环的控制律均设计为PID控制器，降低了跟踪位置误差，提高了跟踪精度。
发明内容
针对精密伺服控制系统中，位置换向时存在较大的换向误差的问题，本发明采用线性自抗扰控制结构，将串级自抗扰的控制律作了改进，提出了一种串级自抗扰的多闭环控制方法。实验结果表明，改进后的串级自抗扰大大减小了跟踪位置误差，提高了控制系统的跟踪精度。
本发明采用的技术方案为：一种串级自抗扰的多闭环控制方法，其特征在于：速度环和位置环均采用线性自抗扰控制器，其具体步骤如下：
步骤(1)：搭建速度环自抗扰控制器闭环回路；
步骤(2)：设计速度环ESO：采用三阶自抗扰控制器，并将ESO估计出的总扰动加入控制器中；
步骤(3)：对于速度反馈信号，处理方式如下：方式1.如果在系统中装有速度传感器，则将传感器采回的速度信号直接送入速度环ESO；方式2.如果在系统中仅装有位置传感器，则将传感器采回的位置信号的微分作为速度信号送入速度环ESO；
步骤(4)：速度环控制律的设计：将速度环的控制律设计为PID控制器；
步骤(5)：对于速度环自抗扰控制输入信号的处理：将位置环控制器的输出作为速度环控制器的输入信号；
步骤(6)：搭建位置环自抗扰控制闭环回路；
步骤(7)：设计位置环ESO1：
采用三阶自抗扰控制器，并将ESO1估计出的总扰动加入控制器中，以此来提前补偿系统受到的外界不确定因素的扰动，提高系统控制精度；
步骤(8)：对于位置反馈信号，处理方式如下：
由于系统中装有位置传感器，则将传感器采回的位置信号直接送入位置环ESO1；
步骤(9)：位置环控制律的设计：
将位置环的控制律设计为PID控制器；
步骤(10)：对于位置环自抗扰控制输入信号的处理：
选择输入信号为θref＝0.3°sin(πt)。
进一步的，步骤(4)中速度环控制律的设计，除了所述的PID控制器，还可以采用PI控制器、P控制器，自适应控制器。
进一步的，步骤(9)中位置环控制律的设计，除了所述的PID控制器，还可以采用PI控制器、P控制器或自适应控制器。
进一步的，步骤(10)中输入信号的选择，可以选择其它正弦信号。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明同非线性串级自抗扰控制相比，该发明方法调试简单，所需要调整的参数不多，解决了非线性自抗扰控制参数众多，调试复杂的问题，进一步推广了自抗扰控制技术的应用。
(2)本发明相对于传统的串级PID控制，明显减小了位置换向误差，消除了误差尖峰。
(3)本发明相对未改进的串级自抗扰控制，大大减小了跟踪位置误差，无论是误差绝对值的最大值，还是误差的均方差都有很大的程度的减小。
附图说明
图1改进的串级自抗扰控制结构图；
图2串级PID跟踪位置误差图；
图3串级自抗扰的跟踪位置误差图；
图4位置环改进的串级自抗扰跟踪位置误差图；
图5速度环改进的串级自抗扰跟踪位置误差图；
图6速度环和位置环都改进的串级自抗扰跟踪位置误差图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明的实施方式。
本发明一种串级自抗扰的多闭环控制方法，其具体实现步骤如下：
步骤(1)：搭建速度环自抗扰控制器闭环回路。本发明所用的跟踪实验平台，由电机、负载、连接轴、测速机，编码器等组成。速度信号由测速机采回，位置信号θl由编码器采回。
步骤(2)：设计速度环ESO，具体形式如下：
对于观测器的参数，则根据以下的方法来整定：
其中，ω0为观测器ESO的带宽，β1,β2,β3为观测器ESO的参数，e1为速度环系统误差，u为观测器ESO的输入，z1,z2,z3为观测器ESO的输出，b为控制器参数。
步骤(3)：对于速度反馈信号，由于本实验系统中装有速度传感器，可以将传感器采回的速度信号直接送入速度环ESO。
步骤(4)：速度环控制律的设计：将速度环的控制律设计为PID控制器，具体表达式如下：
其中，a＝r-z1，kp,ki,kd分别为速度环比例系数，积分系数，微分系数，r为速度环的输入信号。
步骤(5)：对于速度环自抗扰控制输入信号的处理：将位置环控制器的输出u11作为速度环控制器的输入信号，即r＝u11。
步骤(6)：搭建位置环自抗扰控制闭环回路；
步骤(7)：设计位置环ESO1：
e2＝z11-θl
对于观测器的参数，则根据以下的方法来整定：
其中，ω1为观测器ESO1的带宽，β11,β22,β33为观测器ESO1的参数，e2为位置环系统误差，u1为观测器ESO1的输入，z11,z22,z33为观测器ESO1的输出，b1为控制器参数。
步骤(8)：对于位置反馈信号，由于本实验系统中装有位置传感器，可以将传感器采回的位置信号θl直接送入位置环ESO1。
步骤(9)：位置环控制律的设计：将位置环的控制律设计为PID控制器，具体表达式如下：
其中，a1＝r1-z11，kp1,ki1,kd1分别为位置环比例系数，积分系数，微分系数，r1为位置环的输入信号。
步骤(10)：对于位置环自抗扰控制输入信号的处理：选择输入信号为θref＝0.3°sin(πt)。图2至图6均是在输入正弦信号θref＝0.3°sin(πt)的情况下，跟踪位置误差结果。
图4反映的是只改进位置环的跟踪位置误差图。可以看到，与图3相比，误差变化不太明显。
图5反映的是只改进速度环的跟踪位置误差图。可以看到，与图3相比，误差明显减小。
图6反映的是速度环和位置环都改进的跟踪位置误差图。可以看到，与图3相比，所提出的改进的串级自抗扰控制方法，大大减小了位置换向误差，提高了系统跟踪精度。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种串级自抗扰的多闭环控制方法，其特征在于：速度环和位置环均采用线性自抗扰控制器，其具体步骤如下：
步骤(1)：搭建速度环自抗扰控制器闭环回路；所用的跟踪实验平台，由电机、负载、连接轴、测速机，编码器等组成，速度信号由测速机采回，位置信号θl由编码器采回；
步骤(2)：设计速度环ESO：采用三阶自抗扰控制器，并将ESO估计出的总扰动加入控制器中；设计速度环ESO，具体形式如下：
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其中，ω0为观测器ESO的带宽，β1,β2,β3为观测器ESO的参数，e1为速度环系统误差，u为观测器ESO的输入，z1,z2,z3为观测器ESO的输出，b为控制器参数；
步骤(3)：对于速度反馈信号，处理方式如下：方式1.如果在系统中装有速度传感器，则将传感器采回的速度信号直接送入速度环ESO；方式2.如果在系统中仅装有位置传感器，则将传感器采回的位置信号的微分作为速度信号送入速度环ESO；
步骤(4)：速度环控制律的设计：将速度环的控制律设计为PID控制器；将速度环的控制律设计为PID控制器，具体表达式如下：
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其中，a＝r-z1，kp,ki,kd分别为速度环比例系数，积分系数，微分系数，r为速度环的输入信号；
步骤(5)：对于速度环自抗扰控制输入信号的处理：将位置环控制器的输出作为速度环控制器的输入信号；
步骤(6)：搭建位置环自抗扰控制闭环回路；
步骤(7)：设计位置环ESO1：
采用三阶自抗扰控制器，并将ESO1估计出的总扰动加入控制器中，以此来提前补偿系统受到的外界不确定因素的扰动，提高系统控制精度；设计位置环ESO1：
e2＝z11-θl
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其中，ω1为观测器ESO1的带宽，β11,β22,β33为观测器ESO1的参数，e2为位置环系统误差，u1为观测器ESO1的输入，z11,z22,z33为观测器ESO1的输出，b1为控制器参数；
步骤(8)：对于位置反馈信号，处理方式如下：
由于系统中装有位置传感器，则将传感器采回的位置信号直接送入位置环ESO1；
步骤(9)：位置环控制律的设计：
将位置环的控制律设计为PID控制器，具体表达式如下：
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其中，a1＝r1-z11，kp1,ki1,kd1分别为位置环比例系数，积分系数，微分系数，r1为位置环的输入信号；
步骤(10)：对于位置环自抗扰控制输入信号的处理：
选择输入信号为θref＝0.3°sin(πt)；
该串级自抗扰的多闭环控制方法调试简单，所需要调整的参数不多，解决了非线性自抗扰控制参数众多，调试复杂的问题，进一步推广了自抗扰控制技术的应用；
该串级自抗扰的多闭环控制方法相对于传统的串级PID控制，明显减小了位置换向误差，消除了误差尖峰；
该串级自抗扰的多闭环控制方法相对未改进的串级自抗扰控制，大大减小了跟踪位置误差，无论是误差绝对值的最大值，还是误差的均方差都有很大的程度的减小；
步骤(4)中速度环控制律的设计，除了所述的PID控制器，还可以采用PI控制器、P控制器，自适应控制器；
步骤(9)中位置环控制律的设计，除了所述的PID控制器，还可以采用PI控制器、P控制器或自适应控制器；
步骤(10)中输入信号的选择，可以选择其它正弦信号。
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2015
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Patent Citations (1)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
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