CN109358501A - 自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于抗扰控制技术领域，提供了一种自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统，该自抗扰控制方法包括：根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号；构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量；设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。通过采用滑模控制器代替传统的非线性反馈控制，提高了自抗扰控制的高频震颤抑制能力及控制过程的平稳性，增强了系统的抗扰能力。

Description

自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统

技术领域

本发明属于跟踪控制技术领域，尤其涉及自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统。

背景技术

ATP(Acquisition、Tracking and Pointing，捕获、跟踪、瞄准)是用于实现空间激光通信链路建立和保持的关键技术。为了同时实现高动态范围和高精度跟踪，当前空间激光通信几乎都采用粗跟踪、精跟踪复合轴控制结构，当粗跟踪控制单元将入射光引至精跟踪探测器视场后,精跟踪控制单元进入光路闭环跟踪阶段。对于一个典型的激光通信系统来说，其光束宽度约为10μrad。因此跟瞄精度必须优于5μrad，实际设计中一般优于2μrad，瞄准精度优于1μrad。精跟踪系统的高精度可以减小因视轴抖动引起的光能损失，可以有效克服大气湍流以及其他干扰引起的误差。精跟踪系统的闭环带宽通常很高，一般为200Hz以上才能保证整个系统稳定可靠通信，带宽越高，精跟踪系统对干扰的抑制能力越强，系统的反应速度越快，跟踪精度越高。因此设计一个高带宽高精度的精跟踪系统是空间激光通信ATP系统的关键所在。

ADRC(Active Disturbance Rejection Control，自抗扰控制)最突出的优点就是把作用于被控对象的所有不确定因素都归结为“未知扰动”，通过对输入输出数据的处理对其进行估计并补偿。由于自抗扰控制是基于传统PID控制开发的新型实用技术，因此凡是能用常规PID的场合，只要能够数字化，采用自抗扰控制器就会使系统的控制品质和控制精度有根本的提高，尤其是在高精度控制的场合，自抗扰控制更能显示出其优越性能。然而，尽管自抗扰控制具有很强的鲁棒性，由于当前的自抗扰控制对系统的动态参数变化比较敏感，导致自抗扰控制仍然存在原点附近高频震颤等现象，影响了自抗扰控制的性能，降低了系统跟踪过程的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统，旨在解决由于现有技术中的自抗扰控制方法、控制器存在高频震颤等现象而影响自抗扰控制性能的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种自抗扰控制方法，包括：

根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号；

构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量；

设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振；

补偿扰动，扩张状态观测器估计出系统总干扰，通过前馈网络将所述系统总干扰作用到所述滑模控制器的控制量，完成被控对象的实际控制量，实现扰动补偿。

第二方面，本发明还提供了一种自抗扰控制器，包括：

跟踪微分器，用于根据设定值的大小对输入信号安排过渡过程，并提取其微分信号；

扩张状态观测器，用于根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和；

滑模控制器，所述滑模控制器与所述跟踪微分器、扩张状态观测器连接，用于接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。

可选的，所述跟踪微分器的控制函数为：

其中，y_d是给定输入轨迹曲线，v₁是y_d的跟踪信号，v₂是v₁的微分信号，r是快速因子，h是滤波因子，分别影响跟踪速度和滤波效果，fhan(v₁-y_d,v₂,r,h)是最速控制的综合函数。

可选的，所述跟踪微分器中fhan(v₁-y_d,v₂,r,h)的表达式为：

其中，

可选的，所述扩张状态观测器的计算模型为：

其中e₁是观测器误差，z₁为观测器估计的位置信号，z₂为观测器估计的速度信号，z₃为观测器估计的扰动信号；β₀₁,β₀₂,β₀₃是观测器的增益系数，f₀是系统建模已知部分。

可选的，所述滑模控制器的计算模型为：

其中，₀为滑模控制器输出，x₁表示位置信号，x₂表示速度信号；λ₁和μ₁为控制器设计参数，且都是大于零的正数；q₁和p₁为正奇数，满足a₀，a₁，b为系统模型辨识参数，是扰动上限的估计值且满足

若e＝v₁-z₁≈y_d-x₁，则滑模面函数c为滑模面系数且c>0。

第三方面，本发明还提供了一种精跟踪控制系统，该系统包括如第一方面所述的自抗扰控制器。

本发明通过采用滑模控制器代替传统自抗扰控制器中的非线性反馈控制，提高了自抗扰控制器的高频震颤抑制能力及控制过程的平稳性，增强了系统的抗扰能力。由于不需要精确的被控对象模型，能够对系统未建模部分以及外部扰动做出估计并补偿，因此，自抗扰控制器对系统动态参数变化不敏感，能够有效补偿参数变化带来的影响，使精跟踪控制系统有快速的响应，提高稳态精度，有利于在工程中应用。

附图说明

图1示出了本发明实施例一提供的自抗扰控制方法的流程图。

图2示出了本发明实施例一提供的自抗扰控制器的结构示意图。

图3示出了本发明实施例三提供的一种精跟踪控制系统的结构示意图。

图4示出了一种精跟踪控制系统的光路图。

图5示出了一种精跟踪实际控制效果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的自抗扰控制方法的流程图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，该自抗扰控制方法包括如下步骤：

步骤S10，根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号。

步骤S20，构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量。

步骤S30，设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。

步骤S40，补偿扰动，扩张状态观测器估计出系统总干扰，通过前馈网络将所述系统总干扰作用到所述滑模控制器的控制量，完成被控对象的实际控制量，实现扰动补偿。

根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号，并提供过渡过程各阶导数的动态环节，因此避免了控制量剧烈变化的问题。跟踪微分器的控制函数为：

其中，y_d是给定输入轨迹曲线，v₁是y_d的跟踪信号，v₂是v₁的微分信号，r是快速因子，h是滤波因子，分别影响跟踪速度和滤波效果，fhan(v₁-y_d,v₂,r,h)是最速控制的综合函数。

可选的，所述跟踪微分器中fhan(v₁-y_d,v₂,r,h)的表达式为：

其中，

构造扩张状态观测器后，将影响系统输出的所有扰动扩张成新的状态变量，其结果是把所有不确定对象的内部扰动和外部扰动的影响都集中到一个被扩张的状态中，即对扰动的估计。扩张状态观测器的计算模型为：

其中e₁是观测器误差，z₁为观测器估计的位置信号，z₂为观测器估计的速度信号，z₃为观测器估计的扰动信号。β₀₁,β₀₂,β₀₃是观测器的增益系数，f₀是系统建模已知部分。

当z_i是状态变量x_i的观测值时，i＝1,2,3；其中x₃是扩张的状态变量，z₃是系统总扰动的估计值(即观测器估计的扰动信号)。

通过采用滑模控制器代替传统非线性反馈控制率，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，有效消除传统自抗扰方法在原点的抖振现象。

滑模变结构控制器的计算模型为：

其中，₀为滑模控制器输出，x₁表示位置信号，x₂表示速度信号；λ₁和μ₁为控制器设计参数，且都是大于零的正数；q₁和p₁为正奇数，满足a₀，a₁，b为系统模型辨识参数，是扰动上限的估计值且满足

若e＝v₁-z₁≈y_d-x₁，则滑模面函数c为滑模面系数且c>0。

通过扩张状态观测器估计出系统总干扰z₃，并通过前馈网络将总干扰作用到滑模控制器的控制量，完成被控对象的实际控制量，实现扰动补偿：

由于不需要精确的被控对象模型，能够对系统未建模部分以及外部扰动做出估计并补偿，因此，自抗扰控制器对系统动态参数变化不敏感，能够有效补偿参数变化带来的影响，使系统有快速的响应，提高稳态精度，有利于在工程中应用。

图2示出了本发明实施例一提供的自抗扰控制器的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例示出的自抗扰控制器包括跟踪微分器(Tracking differentiator，TD)11、扩张状态观测器(Extended state observer，ESO)12和滑模控制器(Sliding modelcontrol，SMC)13。

跟踪微分器11用于根据设定值的大小对输入信号安排过渡过程，并提取其微分信号。

扩张状态观测器12用于根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和。

滑模控制器13与所述跟踪微分器11、扩张状态观测器12连接，用于接收所述跟踪微分器11与所述扩张状态观测器12的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。

跟踪微分器11、扩张状态观测器12、滑模控制器13的控制函数已在上述自抗扰控制方法中进行详细描述，在此不再赘述。

通过采用滑模控制器代替传统自抗扰控制器中的非线性反馈控制，提高了自抗扰控制器的高频震颤抑制能力及控制过程的平稳性，增强了系统的抗扰能力。由于不需要精确的被控对象模型，能够对系统未建模部分以及外部扰动做出估计并补偿，因此，自抗扰控制器对系统动态参数变化不敏感，能够有效补偿参数变化带来的影响，使精控制系统有快速的响应，提高稳态精度，有利于在工程中应用。

实施例二：

图3示出了本发明实施例二提供的精跟踪控制系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例示出的精跟踪控制系统包括如实施例一示出的自抗扰控制器1，并还包括数模转换器(D/A)2、驱动器3、控制执行元件4、位置传感器5。

所述自抗扰控制器1、所述数模转换器2、驱动器3、控制执行元件4依次信号连接，所述位置传感器5用于对目标位置进行跟踪，根据所述精跟踪控制系统的输出信号进行位置检测后将所述输出信号反馈给所述自抗扰控制器1。

其中，驱动器3为压电陶瓷，所述控制执行元件4为快反镜(FSM)，所述位置传感器5为CCD相机。

可选的，图4示出了一种精跟踪控制系统的光路图，其中包括激光器、平行光管、扰动快反镜、控制快反镜、控制板卡、CCD相机。本实施例利用高分辨率高帧频CCD相机作为位置传感器，提取目标位置的脱靶量作为反馈，通过实施例一示出的自抗扰控制器输出实际控制量，实现对目标位置的跟踪。采用上述装置实现改进自抗扰控制的具体实现步骤如下：

步骤(1)：精跟踪控制系统中的执行元件为快反镜，驱动器为压电陶瓷，测位置传感器为CCD相机。CCD相机帧频高，可以得到很大的带宽。

步骤(2)：通过频率响应测试对控制快反镜对象进行建模，获取被控对象的模型称为Gp(s)，其模型参考如下：

步骤(3)：将被控对象模型转为空间方程形式：

其中，x₁表示位置信号，x₂表示速度信号，d(t,x)表示未建模部分扰动。

步骤(4)：设计改进的自抗扰控制器，其中跟踪微分器为

其中，y_d是给定输入轨迹曲线，v₁是y_d的跟踪信号，v₂是v₁的微分信号。r是快速因子，h是滤波因子，分别影响跟踪速度和滤波效果。fhan(v₁-y_d,V₂,r,h)是最速控制的综合函数。

步骤(5)：构造扩张状态观测器，估计扰动，扩张状态观测器形式如下：

z₁为观测器估计的位置信号，z₂为观测器估计的速度信号，z₃为观测器估计的扰动信号，对于观测器的增益系数β₀₁，β₀₂，β₀₃根据霍尔维茨稳定性判据由以下办法确定：

β₀₁＝3ω₀,β₀₂＝3ω₀ ²,β₀₃＝ω₀ ³；

其中，ω₀为扩张状态观测器的带宽。

步骤(6)：设计滑模控制器，滑模控制器是一种非线性控制方法，对内部参数摄动和外部干扰具有较强的鲁棒性。

其中，₀为滑模控制器输出，λ₁和μ₁为控制器设计参数，且都是大于零的正数，q₁和p₁为正奇数，满足

步骤(7)：将扩张状态观测器估计的系统扰动施加到控制器，用来补偿系统扰动，从而提高系统的控制精度：

下面以一精跟踪平台实验系统为例对本发明实施例的设计过程和实验效果进行详细说明：

通过测量被控对象的频率响应，获取被控对象传递函数：

根据被控对象模型，设计改进的自抗扰控制器参数r＝50，h＝0.01，ω₀＝10,β₀₁＝30，β₀₂＝300，β₀₃＝1000，c＝100，μ₁＝300，λ₁＝200，q₁＝5，p₁＝7。

如图5所示的精跟踪实际控制效果对比图，系统输入为频率4Hz、幅值50μrad的正弦输入信号，对比传统自抗扰控制器，本发明实施例示出的自抗扰控制器抑制扰动能力更强，跟踪精度更高，跟踪误差小于1μrad。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自抗扰控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号；

构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量；

设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

补偿扰动，扩张状态观测器估计出系统总干扰，通过前馈网络将所述系统总干扰作用到所述滑模控制器的控制量，完成被控对象的实际控制量，实现扰动补偿。

3.一种自抗扰控制器，其特征在于，所述自抗扰控制器包括：

跟踪微分器，用于根据设定值的大小对输入信号安排过渡过程，并提取其微分信号；

扩张状态观测器，用于根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和；

滑模控制器，所述滑模控制器与所述跟踪微分器、扩张状态观测器连接，用于接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。

4.如权利要求3所述的自抗扰控制器，其特征在于，所述跟踪微分器的控制函数为：

其中，y_d是给定输入轨迹曲线，v₁是y_d的跟踪信号，v₂是v₁的微分信号，r是快速因子，h是滤波因子，分别影响跟踪速度和滤波效果，fhan(v₁-y_d，v₂，r，h)是最速控制的综合函数。

5.如权利要求4所述的自抗扰控制器，其特征在于，所述跟踪微分器中fhan(v₁-y_d，v₂，r，h)的表达式为：

其中，

6.如权利要求5所述的自抗扰控制器，其特征在于，所述扩张状态观测器的计算模型为：

其中e₁是观测器误差；z₁为观测器估计的位置信号，z₂为观测器估计的速度信号，z₃为观测器估计的扰动信号；β₀₁，β₀₂，β₀₃是观测器的增益系数，f₀是系统建模已知部分。

7.如权利要求6所述的自抗扰控制器，其特征在于，所述滑模控制器的计算模型为：

其中，u₀为滑模控制器输出，x₁表示位置信号，x₂表示速度信号；λ₁和μ₁为控制器设计参数，且都是大于零的正数；q₁和p₁为正奇数，满足a₀，a₁，b为系统模型辨识参数，是扰动上限的估计值且满足

若e＝v₁-z₁≈y_d-x₁，则滑模面函数为：c为滑模面系数且c＞0。

8.一种精跟踪控制系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求3-7任一项所述的自抗扰控制器。

9.如权利要求8所述的精跟踪控制系统，其特征在于，所述系统还包括数模转换器、驱动器、控制执行元件、位置传感器；

所述自抗扰控制器、所述数模转换器、驱动器、控制执行元件依次信号连接，所述位置传感器用于对目标位置进行跟踪，根据所述精跟踪控制系统的输出信号进行位置检测后将所述输出信号反馈给所述自抗扰控制器。

10.如权利要求8所述的精跟踪控制系统，其特征在于，所述驱动器为压电陶瓷，所述控制执行元件为快反镜，所述位置传感器为CCD相机。