CN107272421B - 一种自抗扰控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自抗扰控制系统，包括采取预报补偿措施的跟踪微分器TD‑T、微分器、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF，微分器不包括采取预报补偿措施的微分器，其中：TD‑T的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与NLSEF的第一输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出跟踪信号；微分器的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与NLSEF的第二输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出微分信号。本申请的自抗扰控制系统对跟踪信号进行相位补偿的同时还保证了微分信号的品质，从而进一步提高了自抗扰控制器的控制性能。本发明还提供了一种自抗扰控制方法，与上述系统具有相同的有益效果。

Description

一种自抗扰控制系统及方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种自抗扰控制系统。本发明还涉及一种自抗扰控制方法。
背景技术
ADRC(Auto/Active Disturbance Rejection Control，自抗扰控制)技术是于上世纪九十年代提出的一种非线性控制方法，它是非线性PID(Proportion IntegrationDifferentiation，比例积分微分)技术的新发展。标准自抗扰控制器由TD(TrackingDifferentiator，跟踪微分器)、ESO(Extended State Observer，扩张状态观测器)以及NLSEF(Nonlinear State Error Feed-back，非线性误差反馈控制律)三部分组成，其中，TD接收原始信号，并从原始信号中提取跟踪信号和微分信号。
然而，标准自抗扰控制系统中TD提取的跟踪信号存在相位延迟现象，现有技术中通常采用预报的方式来解决这一问题，但采用预报补偿措施的同时会使得TD提取的微分信号品质变差。工程实践证明原始信号的微分信号品质与自抗扰控制系统的性能有关，微分信号品质越好，自抗扰控制系统的性能越好。可见，现有的预报补偿措施影响了自抗扰控制系统的控制效果。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种自抗扰控制系统，改善微分信号品质，提高控制性能；本发明的另一目的是提供一种自抗扰控制方法，控制效果较好。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种自抗扰控制系统，包括采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T、微分器、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF，所述微分器不包括采取预报补偿措施的微分器，其中：
所述TD-T的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与所述NLSEF的第一输入端连接，用于接收原始信号，并从所述原始信号提取出跟踪信号；
所述微分器的输入端与所述原始信号输出单元连接，输出端与所述NLSEF的第二输入端连接，用于接收所述原始信号，并从所述原始信号提取出微分信号；
所述NLSEF的第三输入端与所述ESO连接，所述NLSEF的输出端分别与控制对象和所述ESO连接，用于接收所述跟踪信号、所述微分信号以及所述ESO输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至所述控制对象和所述ESO。
优选地，所述TD-T的滤波因子h1与积分步长T1的取值关系满足：h1＝n1T1，预报步长n2的取值范围满足2～2n1，其中，所述n1为正整数。
优选地，所述微分器为未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D。
优选地，所述TD-D的滤波因子h2与积分步长T2的取值关系满足：h2＝n1T2，预报步长的取值为1。
优选地，所述微分器为采用正交混频方法的微分器。
优选地，所述ESO为引用非线性函数的ESO。
优选地，所述非线性函数为幂次非线性函数fal(e，a，δ)，所述
Figure BDA0001375363650000021
其中，所述a为待调参数，所述δ为所述自抗扰控制系统工作的采样频率，所述e为所述自抗扰控制系统的状态误差。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种自抗扰控制方法，包括：
采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T接收原始信号，并从所述原始信号提取出跟踪信号；
微分器接收所述原始信号，并从所述原始信号提取出微分信号；
非线性误差反馈控制律NLSEF接收所述跟踪信号、所述微分信号以及扩张状态观测器ESO输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至控制对象和所述ESO。
优选地，所述TD-T的滤波因子h1与积分步长T1的取值关系满足：h1＝n1T1，预报步长n2的取值范围满足2～2n1，其中，所述n1为正整数。优选地，所述微分器为未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D。
本发明提供了一种自抗扰控制系统，包括采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T、微分器、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF，微分器不包括采取预报补偿措施的微分器，其中：TD-T的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与NLSEF的第一输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出跟踪信号；微分器的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与NLSEF的第二输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出微分信号；NLSEF的第三输入端与ESO连接，NLSEF的输出端分别与控制对象和ESO连接，用于接收跟踪信号、微分信号以及ESO输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至控制对象和ESO。
可见，本申请的自抗扰控制系统中，采取预报补偿措施的TD-T只输出原始信号的跟踪信号，微分器只输出原始信号的微分信号，然后将这两信号输入到NLSEF中进行后续的控制。因此，输入到NLSEF中的跟踪信号的相位延迟得到了补偿，微分信号的品质也没有变差，也即，本申请对跟踪信号进行相位补偿的同时还保证了微分信号的品质，从而进一步提高了自抗扰控制器的控制性能。
本发明还提供了一种自抗扰控制方法，与上述系统具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种自抗扰控制系统的结构示意图；
图2为现有技术提供的一种自抗扰控制系统的结构示意图；
图3为本发明提供的一种具体地自抗扰控制系统的结构示意图；
图4为图2和图3自抗扰控制系统微分器的simulink仿真模型图；
图5为图4仿真模型输入正弦信号时输出观测示波器的波形图；
图6为图4仿真模型输入阶跃信号时输出观测示波器的波形图；
图7为图2和图3自抗扰控制系统的simulink仿真模型图；
图8为图7仿真模型输入正弦信号时输出观测示波器的波形图；
图9为图7仿真模型输入阶跃信号输出有超调时观测示波器的波形图；
图10为图7仿真模型输入阶跃信号输出无超调时观测示波器的波形图；
图11为本发明提供的一种自抗扰控制方法的过程流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种自抗扰控制系统，改善微分信号品质，提高控制性能；本发明的另一核心是提供一种自抗扰控制方法，控制效果较好。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种自抗扰控制系统的结构示意图，该系统包括采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T 21、微分器22、扩张状态观测器ESO 4和非线性误差反馈控制律NLSEF 3，微分器不包括采取预报补偿措施的微分器，其中：
TD-T 21的输入端与原始信号输出单元1连接，输出端与NLSEF 3的第一输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出跟踪信号；
具体地，考虑到实际应用中为了补偿跟踪信号的相位延迟，通常使用采取预报补偿措施的跟踪微分器来同时提取原始信号的跟踪信号和微分信号，但这种方式会使得微分信号的品质变差。为了既能补偿跟踪信号的相位延迟，又不影响微分信号的品质，本申请中自抗扰控制系统虽然也使用采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T 21，但TD-T 21在接收到原始信号后，只提取原始信号的跟踪信号，不提取微分信号，因此不会对微分信号的品质造成影响，从而不会降低自抗扰控制系统的性能。
微分器22的输入端与原始信号输出单元1连接，输出端与NLSEF 3的第二输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出微分信号；
具体地，考虑到本申请中TD-T 21只提取了原始信号的跟踪信号，自抗扰控制系统还需要原始信号的微分信号来得到系统的状态误差，基于此，本申请中通过不包括采取预报补偿措施的微分器22来提取原始信号的微分信号。由于该提取过程是由不包括采取预报补偿措施的微分器22进行的，从而不会对微分信号的品质造成影响。
NLSEF 3的第三输入端与ESO 4连接，NLSEF 3的输出端分别与控制对象5和ESO 4连接，用于接收跟踪信号、微分信号以及ESO 4输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至控制对象5和ESO 4。
具体地，实际应用中自抗扰控制系统会受到各种扰动，如果不能很好地补偿这些扰动，将会使得控制系统的性能变差。基于此，本申请中NLSEF 3根据系统的状态误差得到误差反馈控制量，进而计算出最终的控制量，并输出至控制对象5和ESO 4，来补偿系统受到的各种扰动，从而提升了控制系统的性能，并且本申请中控制系统的结构与标准自抗扰控制系统相比较为简单，简化了控制过程。
当然，本申请自抗扰控制系统还可以采用其他的结构，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
本发明提供了一种自抗扰控制系统，包括采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T、微分器、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF，微分器不包括采取预报补偿措施的微分器，其中：TD-T的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与NLSEF的第一输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出跟踪信号；微分器的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与NLSEF的第二输入端连接，用于接收原始信号，并从原始信号提取出微分信号；NLSEF的第三输入端与ESO连接，NLSEF的输出端分别与控制对象和ESO连接，用于接收跟踪信号、微分信号以及ESO输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至控制对象和ESO。
可见，本申请的自抗扰控制系统中，采取预报补偿措施的TD-T只输出原始信号的跟踪信号，微分器只输出原始信号的微分信号，然后将这两信号输入到NLSEF中进行后续的控制。因此，输入到NLSEF中的跟踪信号的相位延迟得到了补偿，微分信号的品质也没有变差，也即，本申请对跟踪信号进行相位补偿的同时还保证了微分信号的品质，从而进一步提高了自抗扰控制器的控制性能。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，TD-T 21的滤波因子h1与积分步长T1的取值关系满足：h1＝n1T1，预报步长n2的取值范围满足2～2n1，其中，n1为正整数。
具体地，通常情况下自抗扰控制系统中TD-T 21的输出信号是有超调的，超调量越大，输出最大值偏离输出稳态值的幅度越大，系统的平稳性越差。显然对系统来说偏离平衡态越远，对系统正常工作越不利，所以通常希望超调量小一些好。基于此，为了保证跟踪信号无超调，TD-T 21的滤波因子h1取积分步长T1的整数倍，即h1＝n1T1，其中n1为正整数，预报补偿步长n2一般取2～2n1之间，从而使得系统的平稳性较好。
作为一种优选地实施例，微分器22为未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D。
具体地，考虑到本申请中的微分器22不包括采取预报补偿措施的微分器，因此，可以选用标准的未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D，通过改进输出程序，使其只输出微分信号，从而使得提取的微分信号的品质不受预报补偿的影响。
作为一种优选地实施例，TD-D的滤波因子h2与积分步长T2的取值关系满足：h2＝n1T2，预报步长的取值为1。
具体地，本申请中的微分器22是未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D时，微分器TD-D的预报步长n2可以设置为1，或者不设置预报步长，使得微分信号品质不受影响。同时，为了保证提取的微分信号无超调，微分器的滤波因子h2取积分步长T2的整数倍，即h2＝n1T2，其中n1为正整数，积分步长T2可以与TD-T 21保持一致，也可以为了进一步提高微分信号的品质进行适当调整，这在一定程度上为使用者提供了更多的调整选择，且系统的稳定性较好。
作为一种优选地实施例，微分器22为采用正交混频方法的微分器。
具体地，考虑到本申请中的微分器22不包括采取预报补偿措施的微分器，所以微分器22还可以是采用正交混频方法的微分器。微分器采用正交混频的微分方法来设计，也不会涉及到预报补偿，从而也不会影响提取的微分信号的品质。
当然，本申请的微分器22还可以采用其他结构的微分器，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，ESO 4为引用非线性函数的ESO 4。
具体地，工程实践中自抗扰控制系统在工作过程中会受到各种扰动，这些扰动会引起系统的振荡，振荡频率称为颤振频率。基于此，为了避免高频颤振现象出现，ESO 4引用非线性函数来进行设计，从而进一步提高了自抗扰控制系统的稳定性。
作为一种优选地实施例，非线性函数为幂次非线性函数fal(e，a，δ)，
Figure BDA0001375363650000071
其中，a为待调参数，δ为自抗扰控制系统工作的采样频率，e为自抗扰控制系统的状态误差。
具体地，考虑到本申请中ESO 4引用非线性函数来进行设计，可以采用幂次非线性函数fal(e，a，δ)，由于fal(e，a，δ)是在原点附近具有线性段的连续幂次函数，系统的状态误差在线性段内变动时能很好地消除振荡的影响，避免了ESO 4的高频颤振现象。
当然，本申请还可以采用其他的非线性函数，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
为了便于理解本发明，本申请以被控对象是一个二阶系统，系统增益b0取1，传递函数为
Figure BDA0001375363650000081
的自抗扰控制系统为例，详细说明本发明的技术方案。
采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T，只输出原始信号的跟踪信号x1。
跟踪微分器TD-T设计为如下形式：
Figure BDA0001375363650000082
其中，r是速度因子，h是滤波因子，T是积分步长。为保证跟踪信号无超调，h取T的整数倍，即h＝n1T；n2为预报补偿步长，一般取2～2n1之间。
这里选用的最速控制综合函数，其算法公式如下：
Figure BDA0001375363650000083
微分器，采用未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D，只输出原始信号的微分信号x2。
跟踪微分器TD-D设计为如下形式：
Figure BDA0001375363650000084
可见，TD-D未设置预报补偿步长n2，或者设置n2＝1；其余参数可与TD-T保持一致，也可以为了进一步提高微分信号的品质适当调整积分步长T，这在一定程度上为使用者提供了更多的调整选择。
扩张状态观测器ESO采用标准线性自抗扰控制的方法设计，为了避免高频颤振现象出现，引用非线性函数。
扩张状态观测器ESO设计为如下形式：
Figure BDA0001375363650000091
其中，β01，β02，β03是ESO的一组待调参数，u是自抗扰控制最终输出的控制量，b0是被控对象系统增益，z1，z2，z3是ESO输出的扰动估计值。
这里选用的幂次非线性函数fal(e,a,δ)，其表达式如下：
Figure BDA0001375363650000092
其中，a是待调参数，δ是系统工作的采样频率。
非线性状态误差反馈控制律NLSEF采用标准自抗扰控制的方法设计。
将TD-T输出的跟踪信号x1、TD-D输出的微分信号x2以及ESO估计出的系统扰动一起送入NLSEF。在NLSEF中，跟踪信号x1与ESO估计的扰动值z1构成系统的状态误差信号e1，e1＝x1-z1；微分信号x2与ESO估计的扰动值z2构成系统的状态误差e2，e2＝x2-z2；非线性误差反馈控制律NLSEF输出的误差反馈控制量u0由误差e1、e2来决定；最终输出的控制量u由u0和ESO估计的扰动值z3来计算，以此来补偿系统受到的各种扰动。
非线性状态误差反馈控制律NLSEF设计为如下形式：
Figure BDA0001375363650000093
其中，β1，β2是NLSEF的一组待调参数，a1，a2取值满足：0<a1<1<a1。
控制量u的计算公式为如下形式：
Figure BDA0001375363650000101
请参照图2、图3、图4、图5和图6，其中，图2为现有技术提供的一种自抗扰控制系统的结构示意图，图3为本发明提供的一种具体地自抗扰控制系统的结构示意图，图4为图2和图3自抗扰控制系统微分器的simulink仿真模型图，图5为图4仿真模型输入正弦信号时输出观测示波器的波形图，图6为图4仿真模型输入阶跃信号时输出观测示波器的波形图。
具体地，本申请为了对比提取的微分信号品质，分别通过现有技术提供的自抗扰控制系统的预报补偿微分器和本申请提供的具体地自抗扰控制系统的微分器对正弦原始信号和阶跃原始信号进行仿真。
具体地，仿真模型输入振幅为10，角频率为1的正弦信号时，输出观测示波器的波形图中可以看到，本申请提供的具体地自抗扰控制系统的微分器得到的微分信号品质较好，而现有技术提供的经过预报补偿措施得到的微分信号振幅很小，并且在初始阶段波动严重。
具体地，仿真模型输入单位阶跃信号时，输出观测示波器的波形图中可以看到，经过预报补偿之后得到的跟踪信号存在超调问题，而本申请提供的具体地自抗扰控制系统的跟踪微分器相比较经过预报补偿得到的微分信号曲线波动小，过渡平稳。
请参照图7、图8、图9和图10，其中，图7为图2和图3自抗扰控制系统的simulink仿真模型图，图8为图7仿真模型输入正弦信号时输出观测示波器的波形图，图9为图7仿真模型输入阶跃信号输出有超调时观测示波器的波形图，图10为图7仿真模型输入阶跃信号输出无超调时观测示波器的波形图。
具体地，本申请为了对比二阶系统控制效果，分别通过现有技术提供的自抗扰控制系统以及本申请提供的具体地自抗扰控制系统，对正弦信号和阶跃信号进行仿真。
具体地，仿真模型输入振幅为10，角频率为1的正弦信号时，输出观测示波器的波形图中可以看到，现有技术提供的自抗扰控制系统输出信号存在较大的相位延迟现象，而本申请提供的具体地自抗扰控制系统比现有技术提供的采取预报补偿措施的自抗扰控制系统能进一步减少输出信号的相位延迟。
具体地，仿真模型输入单位阶跃信号时，输出有超调观测示波器的波形图中可以看到，在输出信号有超调的情况下，本申请提供的具体地自抗扰控制系统能够减少超调量，缩短上升时间。
具体地，仿真模型输入单位阶跃信号时，输出无超调观测示波器的波形图中可以看到，在输出信号无超调的情况下，现有技术提供的只采取预报补偿措施的自抗扰控制系统控制效果不佳，而本申请提供的具体地自抗扰控制系统比现有技术提供的标准的自抗扰控制系统控制效果更好。
请参照图11，图11为本发明提供的一种自抗扰控制方法的过程流程图，该方法包括：
步骤S11：采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T接收原始信号，并从原始信号提取出跟踪信号；微分器接收原始信号，并从原始信号提取出微分信号；
步骤S12：非线性误差反馈控制律NLSEF接收跟踪信号、微分信号以及扩张状态观测器ESO输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至控制对象和ESO。
作为一种优选地实施例，TD-T的滤波因子h1与积分步长T1的取值关系满足：h1＝n1T1，预报步长n2的取值范围满足2～2n1，其中，n1为正整数。
作为一种优选地实施例，微分器为未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D。
对于本发明提供的方法的介绍请参照上述系统实施例，本发明在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的自抗扰控制方法，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自抗扰控制系统，其特征在于，包括采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T、微分器、扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制律NLSEF，所述微分器不包括采取预报补偿措施的微分器，其中：
所述TD-T的输入端与原始信号输出单元连接，输出端与所述NLSEF的第一输入端连接，用于接收原始信号，并从所述原始信号提取出跟踪信号；
所述微分器的输入端与所述原始信号输出单元连接，输出端与所述NLSEF的第二输入端连接，用于接收所述原始信号，并从所述原始信号提取出微分信号；
所述NLSEF的第三输入端与所述ESO连接，所述NLSEF的输出端分别与控制对象和所述ESO连接，用于接收所述跟踪信号、所述微分信号以及所述ESO输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至所述控制对象和所述ESO。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述TD-T的滤波因子与积分步长的取值关系满足：，预报步长的取值范围满足2~2，其中，所述为正整数。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微分器为未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述TD-D的滤波因子与积分步长的取值关系满足：，预报步长的取值为1。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微分器为采用正交混频方法的微分器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述ESO为引用非线性函数的ESO。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述非线性函数为幂次非线性函数，所述，其中，所述a为待调参数，所述为所述自抗扰控制系统工作的采样频率，所述e为所述自抗扰控制系统的状态误差。
8.一种自抗扰控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的自抗扰控制系统，包括：
采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-T接收原始信号，并从所述原始信号提取出跟踪信号；
微分器接收所述原始信号，并从所述原始信号提取出微分信号；
非线性误差反馈控制律NLSEF接收所述跟踪信号、所述微分信号以及扩张状态观测器ESO输出的扰动估计值，并进行非线性组合，分别输出控制量至控制对象和所述ESO。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述TD-T的滤波因子与积分步长的取值关系满足：，预报步长的取值范围满足2~2，其中，所述为正整数。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述微分器为未采取预报补偿措施的跟踪微分器TD-D。
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