CN104932252A

CN104932252A - 一种改进的自抗扰与pid的串级控制方法

Info

Publication number: CN104932252A
Application number: CN201510359468.4A
Authority: CN
Inventors: 左丹; 唐涛; 黄永梅; 蔡华祥
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2015-09-23

Abstract

本发明涉及一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，针对位置换向时存在较大的换向误差问题，提出了将自抗扰控制用于精密伺服系统速度环，将常规PID控制用于位置环，构成了自抗扰与PID的串级控制方法。并且，在自抗扰的控制律方面作了改进，改进的实质就是将传统自抗扰的控制律设计为PID。由于常规非线性自抗扰控制器设计复杂，参数众多且难以整定，本发明采用线性自抗扰的结构，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。所提出的控制方法能减小位置跟踪误差，提高系统的跟踪精度。

Description

一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法

技术领域

本发明属于高精度的跟踪控制技术领域，具体涉及一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法。

背景技术

高精度、快响应一直以来都是跟踪控制系统所追求的目标。在大多数精密伺服控制系统中，普遍采用多级反馈来提高系统的响应精度以及响应时间。PID控制器因其结构相对简单，概念易于理解且不依赖于数学模型，广泛用于电流、速度、位置甚至加速度环中。

不确定系统控制是控制科学中的核心问题，围绕这一问题，涌现出大量的控制方法，从长盛不衰的PID控制到现代的自适应控制、鲁棒控制、变结构控制、基于扰动观测器的控制，以及不变性原理和非线性输出调节理论等等。但是，已有的许多不确定系统控制方法或针对参数不确定性，或针对有界的不确定动态，或针对有界或动态模型已知的外界输人扰动，而自抗扰控制(ADRC)思想则允许系统中的不确定性可以既含有内部非线性时变动态模型(不预先要求有界)，又含有外部的不连续扰动。自抗扰控制器从其设计思想的出现到现在已经经历了二十多年的曲折发展过程，早期的工作主要集中在对经典PID控制器的改进上，其发展速度一直比较缓慢，自从1998韩京清老师对改进后的非线性PID控制器命名为“自抗扰控制器”以后，越来越多的人被其独特的控制思想以及卓越的控制品质所吸引，并积极致力于尖端科技领域的应用。近年来，自抗扰控制由于其不需要关注系统的模型及扰动的特性而受到设计者更为广泛的关注，无论是在理论上还是在使用方面都已经取得了优异的成绩。

目前被广泛研究的串级控制方法很多，如PI-PI控制、状态变量PID串级控制系统等方法，但是随着控制品质要求的提高，常规PID串级控制系统已达不到令人满意的效果。本发明采用线性自抗扰结构，将其运用于速度环，并将常规PID运用于位置环，构成了PID-ADRC串级控制回路。此外，本发明在自抗扰的控制律方面作了改进，即将速度环自抗扰的控制律设计为PID控制器。本发明所提出的控制方法降低了位置跟踪误差，提高了系统跟踪精度。

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，并将自抗扰的控制律作了改进，将改进的自抗扰控制用于速度环，常规PID控制用于位置环，提出了一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法。实验结果表明，改进后的串级自抗扰减小了位置跟踪误差，提高了控制系统的跟踪精度。

本发明采用的技术方案为：一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，其特征在于：速度环采用改进的自抗扰控制器，位置环采用常规PID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)：设计自抗扰的扩张状态观测器：采用三阶线性自抗扰控制结构，并将扩张状态观测器估计出的总扰动加入控制器中，以此来补偿系统受到的非线性扰动；

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ESO；

步骤(4)：控制律的设计：将自抗扰的控制律设计为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PID控制闭环回路；

步骤(7)：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，则传感器采回的位置信号即为反馈信号；

步骤(8)：对于位置环PID控制输入信号的处理：

选择输入信号为θ_ref＝0.3°sin(πt)，其中，θ_ref为输入信号，t为时间。

进一步的，步骤(3)中微分信号的处理，还可以用预测控制方法或卡尔曼滤波控制方法。

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控制器或自适应控制器。

进一步的，步骤(8)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。

(2)本发明相对于未改进的自抗扰与PID的串级控制，减小了位置跟踪误差，无论是误差绝对值的最大值，还是误差的均方差都有一定程度的减小。

(3)本发明同非线性自抗扰控制相比，该发明方法调试简单，所需要整定的参数不多，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。

附图说明

图1为改进的自抗扰与PID的串级控制结构图；

图2为实验系统结构图，其中，1为电机，2为负载，3为测速计；

图3为常规PID-PID串级控制位置跟踪误差图；

图4为常规PID-ADRC串级控制位置跟踪误差图；

图5为常规PID与改进的ADRC串级控制位置跟踪误差图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明的实施方式。

本发明一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，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如图2所示，由电机1、负载2、连接轴、测速计3，编码器等组成。速度信号由测速机采回，位置信号θ_l由编码器采回。

步骤(2)：设计自抗扰的扩张状态观测器：采用三阶线性自抗扰控制结构，并将扩张状态观测器估计出的总扰动加入控制器中，以此来补偿系统受到的非线性扰动，提高系统精度。

自抗扰ESO，具体形式如下：

e_{1} = z_{1} - {\overset{\cdot}{θ}}_{1}

{\overset{\cdot}{z}}_{1} = z_{2} - β_{1} e_{1}

{\overset{\cdot}{z}}_{2} = z_{3} - β_{2} e_{1} + b u

{\overset{\cdot}{z}}_{3} = - β_{3} e_{1}

对于观测器的参数，则根据以下的方法来整定：

β_{1} = 3 ω_{0}, β_{2} = 3 ω_{0}^{2}, β_{3} = ω_{0}^{3}

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。

具体表达式如下：

u_{0} = k_{p} \cdot a + k_{i} {&Integral;}_{0}^{t} a (τ) d τ - k_{d} \cdot z_{2}

u = \frac{u_{0} - z_{3}}{b}

其中，a＝r-z₁，k_p,k_i,k_d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r作为速度环控制器的输入信号；

步骤(6)：搭建位置环PID控制闭环回路；

具体表达式如下：

r = k_{p 1} \cdot e + k_{i 1} {&Integral;}_{0}^{t} e (τ) d τ + k_{d 1} . \frac{d e}{d t}

其中，e＝pref-ecode，pref为系统输入信号，ecode为位置环的反馈信号，k_p1,k_i1,k_d1分别为比例系数，积分系数，微分系数，r为速度环的输入信号。

步骤(7)：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，则传感器采回的位置信号即为反馈信号ecode；

步骤(8)：对于位置环PID控制输入信号的处理：

这里选择输入信号为θ_ref＝0.3°sin(πt)，其中，θ_ref为输入信号，t为时间。

图3至图5均是在输入正弦信号θ_ref＝0.3°sin(πt)的情况下，位置跟踪误差结果。

图4反映的是PID与未改进的ADRC的串级控制位置跟踪误差图。可以看到，与图3相比，误差明显减小。

图5反映的是PID与改进的ADRC的串级控制位置跟踪误差图。可以看到，与图3相比，误差明显减小，与图4相比，所提出的改进方法，换向误差有一定程度的减小，且跟踪轨迹较好。

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

1.一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，其特征在于：速度环采用改进的自抗扰控制器，位置环采用常规PID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(3)：对于速度反馈信号，处理方式如下：

步骤(6)：搭建位置环PID控制闭环回路；

步骤(7)：对于位置反馈信号，处理方式如下：

步骤(8)：对于位置环PID控制输入信号的处理：

2.根据权利要求1所述的一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，其特征在于：步骤(3)中微分信号的处理还可以通过预测控制方法或卡尔曼滤波控制方法来处理。

3.根据权利要求1所述的一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，其特征在于：步骤(8)中输入信号的选择，还可以选择其它正弦信号。