CN108762083B - 一种基于加速度观测器的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进型加速度观测器的控制系统，该系统的电机指定位置信息与电机反馈位置信息的差值输入PI控制器，由PI控制器输出给定电流；加速度观测器是由校正模型和建模模型构成的闭环反馈模型，被控系统输出的电机反馈位置信息与建模模型得到的电机期望位置引入校正模型，校正模型输出观测扰动力矩；用前馈补偿器将与电机电磁转矩系数相除得到的扰动电流对给定电流进行补偿得到实际电流，实际电流与电机电磁转矩系数相乘得到电机力矩，电机力矩与观测扰动力矩叠加的结果引入建模模型得到电机期望位置；电机力矩与扰动力矩同时输入被控系统；本发明在保证了对干扰抑制能力的同时，能够降低对噪声的敏感性，提高系统跟踪精度。

Description

一种基于加速度观测器的自动控制系统

技术领域

本发明属于高精度跟踪控制技术领域，更具体地，涉及一种基于加速度观测器的自动控制系统。

背景技术

目前工业自动控制领域的控制系统一般采用位置环、速度环和电流环组成。传统的控制方法采用多级反馈提高系统的响应速度和控制精度。PID控制广泛应用于控制系统中。不确定系统的控制是目前的研究热点，控制算法包括现代自适应控制、鲁棒控制、自抗扰控制、变结构控制、非线性输出理论等。但是现有的不确定系统控制方法要求系统具有机动性高、鲁棒性强、实时性好的特点。从而提高电机的响应速度，减小电机参数摄动、外部负载变化等干扰因素对系统控制性能的影响。

提高扰动隔离度是提高控制系统跟踪精度的关键。目前仍然采用被动抗扰的思想来提高扰动隔离度，即通过提高开环系统的型别以及低频段增益来减小扰动对系统的影响。然而，机械谐振环节严格限制了系统的开环剪切频率，而且在传统设计模式下，系统的低频段增益难以做到更高，因此，若采用该类控制器，则系统的扰动隔离度水平难以得到本质上的提升。现代控制理论如最优控制理论和自适应控制理论等可以有效提高光电跟踪系统的性能，但设计难度大、计算复杂、控制系统成本高、不易在工程中得到推广和应用。

现有技术采用常规自抗扰控制器的重点在于自动抵抗扰动，而不包括提高跟踪精度，因此常规自抗扰控制器跟踪精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于加速度观测器的自动控制系统，该自动控制系统在保证了对干扰抑制能力的同时，能够降低对噪声的敏感性，提高系统跟踪精度。

为了解决上述技术问题，本发明的基于改进型加速度观测器的控制系统包括PI控制器，电机指定位置信息P_C与被控系统输出的电机反馈位置信息P_F的差值输入PI控制器，由PI控制器输出给定电流I_g；其特征在于还包括前馈补偿器，加速度观测器；加速度观测器是由校正模型和建模模型构成的闭环反馈模型，被控系统输出的电机反馈位置信息P_F与建模模型得到的电机期望位置P_O引入校正模型，校正模型输出观测扰动力矩A_DO；用前馈补偿器将A_DO与电机电磁转矩系数K_T相除得到的扰动电流I_d对给定电流I_g进行补偿得到实际电流I_C，实际电流I_C与电机电磁转矩系数K_T相乘得到电机力矩T_g，电机力矩T_g与观测扰动力矩A_DO叠加的结果引入建模模型，得到电机期望位置P_O；电机力矩T _g与扰动力矩T_d同时输入被控系统；

其中建模模型的建模开环传递函数为G_model(S)，G_model(S)＝G(S)；G(S)为被控系统的实际开环传递函数；

校正模型的传递函数为：

其中s为拉普拉斯算子，K为校正模型传递函数的开环增益，T₁为校正模型传递函数的时间常数。

校正模型传递函数的开环增益K和校正模型传递函数的时间常数T₁的数值应使得建模模型得到的电机期望位置P_O趋于等于电机反馈位置信息P_F。

被控系统的实际开环传递函数G(S)的确定方法如下：

一、测试被控系统开环曲线：通过信号发生器产生激励，给被控系统一个阶跃信号，得到被控系统开环幅频曲线；

二、根据步骤一得到的被控系统开环幅频曲线，通过Matlab对被控系统的开环传递函数进行辨识，得到被控系统的实际开环传递函数G(S)。

校正模型传递函数的开环增益K、校正模型传递函数的时间常数T₁通过下述方法获得：

将被控系统的电机反馈位置信息P_F引入由校正模型和建模模型构成的反馈模型；通过matlab对K、T₁进行调节使得被控系统的电机反馈位置信息P_F趋于稳定，将此时的K、T₁分别作为校正模型传递函数的开环增益K、校正模型传递函数的时间常数T₁的选定值。

本发明的有益效果是：

1.针对传统控制方法易受外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素的影响，设计了基于加速度观测器相结合的控制系统。通过系统辨识实验建立了系统动态模型，开环幅频特性曲线bode图。引入算法进行位置控制和扰动抑制，该控制系统补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对控制系统性能的影响，能够满足系统快速性和高精度要求，在性能上有显著的提高，在实际工程中具有较高的应用价值。

2.利用加速度观测器对系统的干扰进行补偿,不需要对干扰信号进行精确建模,干扰信号可通过校正模型间接的估计出来,且观测器结构简单,便于实现。

3.基于加速度观测器的输出，将前馈补偿器和传统反馈控制器结合去除干扰。能够在外部扰动情况下，实现高精度跟踪控制，无需采用逆模型，在保证了对干扰抑制能力的同时，能够降低对噪声的敏感性，提高系统跟踪精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的基于改进型加速度观测器的控制系统方框图。

图2a、图2b是加速度观测器两个实例的方框图。

图3是被控系统开环幅频曲线和相频曲线。

图4是反馈模型方框图。

图5是存在电噪声干扰下，使用本发明控制的跟踪曲线图。

具体实施方式

本发明在电流闭环控制环路之内引入加速度观测器，对被控系统的扰动进行实时观测并加以消除，从而实现抑制被控系统中扰动的目的，提高系统的鲁棒性和扰动抑制能力。加速度观测器可以在数字控制器中以程序代码实现。

如图1、图2a所示，本发明的基于改进型加速度观测器的控制系统包括PI控制器，前馈补偿器，加速度观测器；加速度观测器包括校正模型和建模模型；电机指定位置信息P_C与被控系统输出的电机反馈位置信息P_F的差值输入PI控制器，由PI控制器输出给定电流I_g；前馈补偿器将校正模型输出的观测扰动力矩A_DO与电机电磁转矩系数K_T相除得到扰动电流I_d；给定电流I_g与扰动电流I_d的差值作为实际电流I_C；实际电流I_C与电机电磁转矩系数K_T相乘得到的电机力矩T_g分为两路，一路与扰动力矩T_d同时输入被控系统，另一路与观测扰动力矩A_DO叠加后引入建模模型；被控系统输出的电机反馈位置信息P_F与建模模型输出的电机期望位置P_O的差值同时引入校正模型。

如图2b所示，还可以将实际电流I_C分为两路，两路实际电流I_C分别与电机电磁转矩系数K_T相乘得到的电机力矩T_g，一路电机力矩T_g与扰动力矩T_d同时输入被控系统，另一路电机力矩T_g与观测扰动力矩A_DO叠加后引入建模模型。

被控系统的实际开环传递函数G(S)的确定方法如下：

一、测试被控系统开环曲线：通过信号发生器产生激励，给被控系统一个阶跃信号，得到被控系统开环幅频曲线；被控系统开环幅频曲线如图3a、图3b所示。

二、根据步骤一得到的被控系统开环幅频曲线，通过Matlab中的Matlab SystemIdengification Toolbox对被控系统的开环传递函数进行辨识，得到被控系统的实际开环传递函数G(S)；本发明中得到的实际开环传递函数G(S)如下：

建模模型的建模开环传递函数为G_model(S)，G_model(S)＝G(S)。

校正模型的传递函数为：

其中s为拉普拉斯算子，K为校正模型传递函数的开环增益，T₁为校正模型传递函数的时间常数。

K、T₁通过下述方法获得：

如图4所示，将被控系统的电机反馈位置信息P_F引入由校正模型和建模模型构成的反馈模型；通过matlab对K、T₁进行调节使得被控系统的电机反馈位置信息P_F趋于稳定，以排除参数不确定对被控系统稳定性的影响，最终确定校正模型传递函数的开环增益K、校正模型传递函数的时间常数T₁的数值；这样即可建立起与实际被控系统一致的数学模型，获得被控系统准确的初始状态，通过加速度观测器观测的状态准确的跟踪被控系统的真实状态。本发明中确定K＝1690，T₁＝0.001。

图5给出了存在电噪声干扰下，使用本发明的跟踪曲线。结果显示，本发明能够实现系统实时闭环控制；对系统的扰动进行实时观测并加以消除，从而实现抑制系统中扰动和高精度跟踪的目的，提高系统的鲁棒性和扰动抑制能力。

Claims (1)

1.一种基于改进型加速度观测器的控制系统，包括PI控制器，电机指定位置信息P_C与被控系统输出的电机反馈位置信息P_F的差值输入PI控制器，由PI控制器输出给定电流I_g；其特征在于还包括前馈补偿器，加速度观测器；加速度观测器是由校正模型和建模模型构成的闭环反馈模型，被控系统输出的电机反馈位置信息P_F与建模模型得到的电机期望位置P_O引入校正模型，校正模型输出观测扰动力矩A_DO；用前馈补偿器将A_DO与电机电磁转矩系数K_T相除得到的扰动电流I_d对给定电流I_g进行补偿得到实际电流I_C，实际电流I_C与电机电磁转矩系数K_T相乘得到电机力矩T_g，电机力矩T_g与观测扰动力矩A_DO叠加的结果引入建模模型，得到电机期望位置P_O；电机力矩T_g与扰动力矩T_d同时输入被控系统；

其中建模模型的建模开环传递函数为G_model(S)，G_model(S)＝G(S)；G(S)为被控系统的实际开环传递函数；

校正模型的传递函数为：

其中s为拉普拉斯算子，K为校正模型传递函数的开环增益，T₁为校正模型传递函数的时间常数；校正模型传递函数的开环增益K和校正模型传递函数的时间常数T₁的数值使得建模模型得到的电机期望位置P_O趋于等于电机反馈位置信息P_F；

被控系统的实际开环传递函数G(S)的确定方法如下：

一、测试被控系统开环曲线：通过信号发生器产生激励，给被控系统一个阶跃信号，得到被控系统开环幅频曲线；

二、根据步骤一得到的被控系统开环幅频曲线，通过Matlab对被控系统的开环传递函数进行辨识，得到被控系统的实际开环传递函数G(S)；

校正模型传递函数的开环增益K、校正模型传递函数的时间常数T₁通过下述方法获得：

将被控系统的电机反馈位置信息P_F引入由校正模型和建模模型构成的反馈模型；通过matlab对K、T₁进行调节使得被控系统的电机反馈位置信息P_F趋于稳定，将此时的K、T₁分别作为校正模型传递函数的开环增益K、校正模型传递函数的时间常数T₁的选定值。

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