CN110609475A

CN110609475A - 一种基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法

Info

Publication number: CN110609475A
Application number: CN201910878426.XA
Authority: CN
Inventors: 聂康; 毛耀; 任维; 周翕
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2019-12-24

Abstract

本发明公开了一种基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法，该方法通过引入近似的被控对象模型信息，并使用系统输入输出信号数据，设计一种新型三阶线性扩张状态观测器，对自身对象的运动状态和总扰动进行观测，其中总扰动包括对象未建模动态、内部动态变化和外部扰动，对总扰动进行补偿从而将被控对象改造成已知的先验模型，利用观测得到的位置和速度状态实现双闭环控制，与传统控制方法相比，该方法可以直接使用传统双闭环中的位置和速度控制器设计，增强了系统对中低频扰动的抑制能力，不改变原先控制器设计的同时还节省了速度传感器，有效减小平台的空间和负载，利于其小型化。

Description

一种基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法

技术领域

本发明属于抗扰控制领域，具体涉及一种基于改进型三阶线性扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法，将线性扩张状态观测器进行改进并结合传统的位置速度双闭环控制方法，实现对被控对象运动过程的稳定控制，增强了对中低频扰动的抑制能力。

背景技术

被控对象在运动过程中需要保持一些参量保持不变，从而保证一定的控制精度和性能。以表征运动过程的参数为被控制量，如位置、速度等物理量，使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统被广泛应用于工业伺服控制、光电控制、机器人控制等领域。通过传感器测得被控对象的输出数据和近似的建模，设计控制器，完成闭环负反馈控制。但是在控制过程中，被控对象容易受到自身内部动态变化和外部扰动作用的影响，其中内部动态包括被控对象受环境、姿态、负载等影响导致其内部结构和参数发生变化，且对象存在模型建模不准确和无法建模的部分；外部扰动体现为影响系统输出的作用力，如力矩扰动和外界振动，其主要体现在中低频。为了保证被控输出保持在给定输入范围内，且能较好的克服内扰和外扰，在平台自身硬件条件无法更改的情况下，如何采用高性能的控制算法来提升被控系统的主动扰动抑制能力则尤为重要。

近些年，自抗扰控制方法中的扩张状态观测器被用来对付系统中的不确定性，它是一种不依赖对象精确模型的非线性控制算法，其核心思想是以简单的积分串联型为标准型，通过扩张状态观测器将不同于标准型的部分视为总扰动，将它作为一个扩张的系统状态，实时观测得到系统原始状态和扩张状态，消除总扰动将对象还原为标准型，利用非线性误差反馈策略完成闭环控制。但是完整的自抗扰控制中非线性控制结构较为复杂，理论分析较为困难，控制参数过多，高志强引入频域带宽的概念，对其进行简化和线性化处理，将扩张状态观测器和控制器都以线性形式实现，且只与观测器带宽和控制器带宽相关联，使得线性自抗扰控制的参数整定更为直观和简便。还有学者也加入模型信息来改造观测器，但是他们最终都是将对象变化与积分串联标准型的差值视为总扰动一并补偿，其思路与传统扩张观测器一模一样，这样增加了抑制扰动的负担，同时控制器还需要重新调整来满足闭环要求。

为了充分利用已知的模型信息，且不改变原始闭环控制器的设计，本发明提出一种改进型线性扩张状态观测器，利用被控对象输入输出信号数据，对自身对象的运动状态和总扰动进行观测，对总扰动进行补偿从而将被控对象改造成已知的先验模型，利用观测得到的位置和速度状态实现双闭环控制，与传统控制方法相比，该方法可以直接使用传统双闭环中的位置和速度控制器设计，

发明内容

为了实现本发明的目的，本发明提供一种基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在被控实验平台中安装位置、陀螺传感器，用于测量系统运动状态信号：角位置信号、角速度信号。

步骤(2)：通过频率响应测试仪可对平台的位置、速度频率对象特性进行测试，通常输入为被控对象输入电压，输出为传感器采样值，从而获得一个近似的、先验的被控对象传递模型。

步骤(3)：根据得到的位置、速度被控对象来设计传统的双闭环控制器，其中，设计内环速度控制器实现速度反馈闭环，然后再通过测量速度内环闭环后的位置对象模型，得到外环被控对象模型，据此设计位置环控制器，这样就构成了传统的双闭环控制。

步骤(4)：通过改进传统的三阶线性扩张状态观测器，在现代控制理论基础上利用系统的输入输出信号来观测出系统原有状态和被扩张的总扰动状态变量，过程中省去了速度传感器，状态观测器只利用位置传感器信号实现对位置状态和速度状态的估计。

步骤(5)：将改进型的线性扩张状态观测器插入到传统双闭环当中，不需要改变原先控制器设计，在对象受到外部扰动作用和内部动态变化的情况下实现闭环控制和扰动抑制。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)相对于传统的线性扩张状态观测器，该方法不再视积分串联型为标准型，而是把最初获得的近似的对象模型视为一个参考，将建模不准确的部分、运动过程中受到的内外绕都尽可能的抵消抑制掉，从而使得变化后得对象近似等于先验模型。

(2)该发明可以继续使用传统的双闭环控制器，因为其是依据已知的先验模型来设计的，而改进的观测器将一定频率内异于已知模型的部分视为扰动进行补偿。

(3)该发明是从控制算法上对系统进行优化，且同时省去了速度传感器，实现了无需速度测量的估计，有效减小平台的空间和负载，利于其小型化和快速偏转。

(4)该发明思路清晰，结构简单，参数易调整，在工程上更易于实现，与传统方法相比更好的抑制中低频的扰动传递，提高稳定控制品质。

附图说明

图1是本发明的控制结构框图。

图2是本发明提及的传统双闭环控制框图。

图3是本发明的改进型扩张状态观测器对变化后被控对象的扰动补偿效果图。

图4是本发明的扰动抑制效果对比图。

具体实施方式

以下结合附图和光电控制领域中快速偏转镜实验平台为例，对本发明的具体实施步骤和实施效果做详细说明：

快速偏转镜作为光学精密跟踪控制系统的核心部件已经广泛应用于光电控制中，光束窄、发散角小、长距离的信标光经偏转镜反射进入目标探测器，根据高帧频的目标探测器提取光斑离中心的位置偏差，构成控制闭环，实现光束的稳定控制。

如图1所示是本发明的控制结构框图，θ_ref是系统的给定位置输入，U是被控对象的电压输入，θ是被控对象位置输出。

步骤(1)：在快速偏转镜实验平台中安装位置传感器和陀螺速度传感器，用于测量平台自身的角位置量和角速度量。

步骤(2)：通过频率响应测试仪可对平台的位置、速度频率对象特性进行测试，输入为被控对象输入电压，输出为传感器采样值，从而获得一个近似的、先验的被控对象传递模型。

近似得到的二阶被控对象为：

其运动微分方程为：

其中为通过辨识得到的一部分先验模型信息；f_x为建模不准确部分和内部动态变化部分；f_w则是系统受到的外扰总和；所以为包含了已知模型信息和未知总扰动的总和。传统线性扩张状态观测器将整个f都作为需要进行观测的一个新状态，由于偏转镜具有高频响应的功能特性，如果不利用已知的模型信息会大大增加观测总扰动的负担，导致其估计精度下降，所以我们这里选取f′＝f_x+f_w作为被扩张的新状态，选取镜面偏转角θ和偏转角速度作为系统原有的两个状态，那么被扩张后的系统的状态变量为：

系统状态方程描述如下：

重写为状态空间描述为：

y＝Cx

其中，

如图2所示为传统双闭环控制框图，G_p(s)和G_v(s)分别为位置控制器和速度控制器。

理想的速度控制器应该包含G_v(s)的逆和一个积分环节，前者用来对消零极点，后者用来提高系统型别和控制器增益，实际中我们会再加上一个滤波器来处理高频噪声，其时间常数T₁的值设计得远小于0.01来避免系统带宽受到影响。闭环系统稳定的条件可以由开环系统G_open(s)的相位裕度PM和幅值裕度GM来决定，G_open＝G_v·C_v，一般来说满足：

来确定控制器增益的范围，通过调整K_v可以得到速度控制器如下：

进一步可以拟合速度闭环后位置开环情况下对象特性为：

继续设计位置控制器，设计方法与速度控制器思路相同，保留已有的积分环节用来提高位置增益，但是G_p的逆依旧不是严格正实的传递函数，所以需要添加T₂+1且时间常数得远小于0.01，

步骤(4)：通过改进传统的三阶线性扩张状态观测器，在现代控制理论基础上利用系统的输入输出信号来观测出系统原有状态和被扩张的总扰动状态变量，过程中省去了速度传感器，只利用目标探测器的位置信号实现对位置状态和速度状态的估计。

改进型的扩张状态观测器为：

y_l＝z

其中z为观测器系统的状态变量，用来观测系统中的状态变量，即z_i≈x_i,i＝1,2,3，当中最重要的就是观测器的第3个状态z₃，用来近似估计f′的值，u_l＝[u y]^T为观测器系统的组合输入，包含被观测系统的输入输出，y_l是观测器的输出，即输出观测器全部的状态变量，L为需要设计的观测器增益矩阵。

进一步的，通过配置观测器系统闭环极点来调整观测器的动态性能，为了使估计误差趋于0，矩阵[A-LC]必须是霍尔维兹的，也就是说它的特征根具有负实部。为了简化参数整定过程，我们继续仿照LESO的特征根的选取，将观测器三个极点均取-ω_o，这里称ω_o为观测器带宽，那么：

λ(s)＝|sI-(A-LC)|＝(s+ω_o)³

可以得到观测器增益矩阵L为：

在一定频域内观测器对扰动f′估计准确的情况下，将估计的扰动状态z₃如图1进行扰动补偿和抵消，此时系统的控制量为：

u＝u₀-z₃/b≈u₀-(f_x+f_w)/b

被控对象将被改进型扩张状态观测器改造成如下形式：

带入可得：

写成传递函数形式为：

即得到最初辨识得到的先验模型。所以，通过消减z₃将原对象在一定频率内近似改造成G₀，即改进型扩张状态观测器将包含内扰和外扰的未知对象改造成已知的对象，后续就变成了对已知模型G₀的控制问题，而传统双闭环控制器正是依据先验模型来设计的。

如图3、图4所示，依次为本发明的改进型扩张状态观测器对变化后被控对象的扰动补偿效果图和扰动抑制效果对比图。图3可以看到，在30Hz内改进型扩张状态观测器能将特性发生变化的对象较好的改造成先验对象模型，对增益和谐振频率变化的补偿效果不错。

从图4中我们可以看到，基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法能很好的提升系统中低频的扰动抑制能力，减小稳定残差。(1)与传统双闭环对比，因为加入改进型扩张状态观测器对扰动的估计和补偿，大大改善了1-50Hz频率内的扰动抑制能力，在5Hz提升效果最大，可以达到30dB，位置环和速度环的控制器设计完全一样，最终在只有位置传感器的情况下，实现位置速度双闭环的控制。(2)与传统线性自抗扰对比，在相同的观测器带宽情况下，改进型扩张状态观测器比传统线性扩张状态观测器能更好的估计和补偿系统受到的内扰和外扰，在有限带宽内尽可能多得消除偏转镜平台受到的扰动。

以上结合附图和实例对本发明的具体实施方式、过程和效果做详细说明，但所述内容仅为本方法的一个实施例，不能只限定该方法的实施范围。

Claims

1.一种基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在被控实验平台中安装位置、陀螺传感器，用于测量系统运动状态信号：角位置信号、角速度信号；

步骤(2)：通过频率响应测试仪可对平台的位置、速度频率对象特性进行测试，通常输入为被控对象输入电压，输出为传感器采样值，从而获得一个近似的、先验的被控对象传递模型；

步骤(3)：根据得到的位置、速度被控对象来设计传统的双闭环控制器，其中，设计内环速度控制器实现速度反馈闭环，然后再通过测量速度内环闭环后的位置对象模型，得到外环被控对象模型，据此设计位置环控制器，这样就构成了传统的双闭环控制；

步骤(4)：通过改进传统的三阶线性扩张状态观测器，在现代控制理论基础上利用系统的输入输出信号来观测出系统原有状态和被扩张的总扰动状态变量，过程中省去了速度传感器，状态观测器只利用位置传感器信号实现对位置状态和速度状态的估计；

2.根据权利要求1所述的一种基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法，其特征在于：步骤(4)具体为：

改进型的扩张状态观测器为：

y_l＝z

其中z为观测器系统的状态变量，用来观测系统中的状态变量，即z_i≈x_i,i＝1,2,3，当中最重要的就是观测器的第3个状态z₃，用来近似估计f′的值，u_l＝[u y]^T为观测器系统的组合输入，包含被观测系统的输入输出，y_l是观测器的输出，即输出观测器全部的状态变量，L为需要设计的观测器增益矩阵；

进一步的，通过配置观测器系统闭环极点来调整观测器的动态性能，为了使估计误差趋于0，矩阵[A-LC]必须是霍尔维兹的，也就是说它的特征根具有负实部；为了简化参数整定过程，继续仿照LESO的特征根的选取，将观测器三个极点均取-ω_o，这里称ω_o为观测器带宽，那么：

λ(s)＝|sI-(A-LC)|＝(s+ω_o)³

可以得到观测器增益矩阵L为：

3.根据权利要求1所述的一种基于改进型扩张状态观测器的虚拟双闭环控制方法，其特征在于：步骤(5)具体为：

在一定频域内观测器对扰动f′估计准确的情况下，将估计的扰动状态z₃进行扰动补偿和抵消，此时系统的控制量为：

u＝u₀-z₃/b≈u₀-(f_x+f_w)/b

被控对象将被改进型扩张状态观测器改造成如下形式：

带入可得：

写成传递函数形式为：

即得到最初辨识得到的先验模型，通过消减z₃将原对象在一定频率内近似改造成G₀，即改进型扩张状态观测器将包含内扰和外扰的未知对象改造成已知的对象，后续就变成了对已知模型G₀的控制问题，而传统双闭环控制器正是依据先验模型来设计的。