CN112130456B - 一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法 - Google Patents

一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112130456B
CN112130456B CN202010971857.3A CN202010971857A CN112130456B CN 112130456 B CN112130456 B CN 112130456B CN 202010971857 A CN202010971857 A CN 202010971857A CN 112130456 B CN112130456 B CN 112130456B
Authority
CN
China
Prior art keywords
linear
disturbance rejection
active disturbance
control
extended state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010971857.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112130456A (zh
Inventor
黄海滨
周立凡
庄宇飞
梁景凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Weihai Tianfan Intelligent Technology Co ltd
Harbin Institute of Technology Weihai
Original Assignee
Weihai Tianfan Intelligent Technology Co ltd
Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Weihai Tianfan Intelligent Technology Co ltd, Harbin Institute of Technology Weihai filed Critical Weihai Tianfan Intelligent Technology Co ltd
Priority to CN202010971857.3A priority Critical patent/CN112130456B/zh
Publication of CN112130456A publication Critical patent/CN112130456A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112130456B publication Critical patent/CN112130456B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法，其涉及自动化控制技术领域。包括如下步骤：建立自抗扰控制系统，自抗扰控制系统包括被控对象及线性自抗扰控制器，线性自抗扰控制器包括线性扩张状态观测器及状态误差反馈控制律；对于线性扩张状态观测器，在原线性扩张状态观测器中增添新的参数b1，且令b1＜b0；对于误差r‑z1的增益设计为Kp，对于观测所得z2的增益设计为Kd，其中Kp,Kd均为正数；将线性扩张状态观测器观测到的总扰动z3加入到整个控制系统中，得到最终的控制量u。

Description

一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，具体涉及一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法。
背景技术
中科院韩京清研究员认识到基于数学模型的现代控制理论给出的控制策略在实际控制工程中难以得到有效应用，以思考“控制理论—模型论还是控制论”为起点，在反思经典控制理论优点的基础上，毅然走上了一条探索新型实用控制技术的道路。在先后发明非线性跟踪微分器、非线性PID以及扩张状态观测器的基础上，于1998年正式提出自抗扰控制器。这一成果的诞生，打破了控制理论与控制工程之间延续了半个多世纪而未能得到很好解决的脱节现象，有望取代目前在工业界占据统治地位的PID控制技术。
韩京清研究员倡导使用非线性函数来提高控制性能，因此，最初的自抗扰控制一般采用非线性状态误差反馈控制律和非线性扩张状态观测器。但非线性函数的引入，使得自抗扰控制在参数整定、稳定性分析及性能分析变得困难，这不利于自抗扰控制技术的推广和应用。鉴于此，高志强教授提出线性化、带宽化的线性自抗扰控制器，不仅参数整定简单、具有物理含义，而且稳定性分析、控制性能分析都能借助于成熟的经典/现代控制理论，极大地推动了自抗扰控制技术的理论研究与工程应用。目前，线性自抗扰控制的理论研究成果远超过非线性自抗扰控制，且成为工程应用的首选。
自抗扰控制精髓在于通过扩张状态观测器进行总扰动的估计和补偿，引入非线性机制的目的是进一步提升控制性能。因此，线性自抗扰控制已能满足多数场合的实际需要，但如果要追求更高的控制精度、更强的抗扰能力，非线性自抗扰控制是一种有效选择。目前还没有对线性/非线性自抗扰控制系统进行切换控制的方法。
发明内容
本发明就是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法。
为解决上述技术问题，为此本发明包括如下步骤：
步骤1)：建立自抗扰控制系统，其包括被控对象及线性自抗扰控制器，舵机系统如下式所示：
Figure BDA0002684370950000021
其中，δc为控制舵角，TE是舵机时间常数，考虑舵机的饱和非线性和δmax＝35°，舵速限制
Figure BDA0002684370950000022
被控对象为式1的舵机系统，并考虑非线性；
线性自抗扰控制器包括线性扩张状态观测器及状态误差反馈控制律，线性扩张状态观测器如下式所示：
Figure BDA0002684370950000023
其中，uc＝[u y]T是线性扩张状态观测器的输入，u为控制量，y为系统输出，z＝[z1z2 z3]T是线性扩张状态观测器观测得到的三个状态量，即观测器的输出，
Figure BDA0002684370950000024
且A*、B*、C是构建线性扩张状态观测器的三个矩阵，ωo为观测器带宽；
状态误差反馈控制律如下式所示：
Figure BDA0002684370950000031
其中，r为输入信号或参考信号，Kp为误差放大系数，Kd为微分放大系数；
步骤2)：对于线性扩张状态观测器，在原线性扩张状态观测器中增添新的参数b1，且令b1＜b0，其表达式如式2所示；
步骤3)：误差反馈控制律的设计如式3所示，对于误差r-z1的增益设计为Kp，对于观测所得z2的增益设计为Kd，其中Kp,Kd均为正数；
步骤4)：将线性扩张状态观测器观测到的总扰动z3加入到整个控制系统中，得到最终的控制量u如下式所示：
Figure BDA0002684370950000032
优选的，对于反馈信号的引入，当传感器得到输出信号后，可以采用线性扩张状态观测器的形式将z1,z2作为反馈，也可以直接将传感器得到的信号以及其微分作为反馈。
优选的，引入稳态误差，作为切换控制中的一环。
优选的，系统的被控对象传递函数为二阶时，整个系统的稳态误差会随着b1的变化而变化。
优选的，当无b1时，即b1＝b0时，其特征与二阶线性自抗扰相同；当有b1时，其为扩展的二阶线性自抗扰控制方法。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
对于整个系统，在控制器参数部分使用Kp,Kd作为增益，相比于传统的线性自抗扰中纯粹依赖控制器带宽ωc具有更高的灵活性，可以使系统获得更优质的响应，提高控制的精度，分别调节两个参数可以实现对输出的微调。
引入参数b1的优势在于对于具有饱和非线性的对象，可以使得系统的动态性能变好。此外，在没有b1的情况下，系统在参数b0选取不够好的时候，极可能发散，而引入b1能够得到较为优良的动态响应曲线而不发散。同时使得其他参数的调节指南与线性的情况相似，可以降低工作人员调节参数时的学习成本。当取b1＝b0时，其整定方式与线性自抗扰控制器相近。
附图说明
图1为本发明简化舵机非线性模型示意图；
图2为本发明线性自抗扰控制器的结构示意图；
图3为本发明控制系统的整体动态响应变化曲线图一；
图4为本发明控制系统的整体动态响应变化曲线图二；
图5为本发明线性自抗扰控制器的对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的术语如无特殊规定，均为行业内常规术语。
本发明提供一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法，其包括如下步骤：
步骤1)：建立自抗扰控制系统，其包括被控对象及线性自抗扰控制器。
被控对象为考虑如式1的舵机系统，并考虑非线性，视作如图1的简化舵机非线性模型的被控对象；
舵机系统如下式所示：
Figure BDA0002684370950000041
其中，δc为控制舵角，TE是舵机时间常数，考虑舵机的饱和非线性和δmax＝35°，舵速限制
Figure BDA0002684370950000051
线性自抗扰控制器包括线性扩张状态观测器及状态误差反馈控制律，其结构示意图如图2所示。
其中，线性扩张状态观测器如下式所示：
Figure BDA0002684370950000052
其中，uc＝[u y]T是线性扩张状态观测器的输入，u为控制量，y为系统输出，z＝[z1z2 z3]T是线性扩张状态观测器观测得到的三个状态量，即观测器的输出，
Figure BDA0002684370950000053
且A*、B*、C是构建线性扩张状态观测器的三个矩阵，ωo为观测器带宽。
状态误差反馈控制律如式3所示：
Figure BDA0002684370950000054
其中，r为输入信号或参考信号，Kp为误差放大系数，Kd为微分放大系数。
步骤2)：对于线性扩张状态观测器，相当于在原线性扩张状态观测器中增添新的参数b1，且令b1＜b0，其表达式如式2所示；对于被控对象，引入参数b1的优势在于可以使得系统的动态性能变好，同时使得系统在参数b0选取不够好的时候，能够得到较为优良的响应曲线而不发散，降低工作人员调节参数时的学习成本。此外，对于被控对象，引入参数b1可以方便其它参数的调节。
步骤3)：误差反馈控制律的设计如式3所示，对于误差r-z1的增益设计为Kp，对于观测所得z2的增益设计为Kd，其中Kp,Kd均为正数；与传统的线性自抗扰控制器通过单一变量ωc进行误差反馈不同，这样的Kp,Kd可以对控制系统的输出进行微调，提高控制品质。
步骤4)：将线性扩张状态观测器观测到的总扰动z3加入到整个控制系统中，得到最终的控制量u如式4所示，以此来补偿系统受到的扰动，提高控制精度。
Figure BDA0002684370950000061
更进一步的，在本实施例中，对于反馈信号的引入，当传感器得到输出信号后，可以采用线性扩张状态观测器的形式将z1,z2作为反馈，也可以直接将传感器得到的信号以及其微分作为反馈。
本发明控制方法能够较好的改善系统的动态性能，但会引入稳态误差，可以作为切换控制中的一环加以应用。
更进一步的，对于引入的各个参数，参数的变化对控制系统的影响明确。其中Kp越大，系统的响应速度越快，对稳态误差的抑制能力越好越强；Kd越大，系统的整体的响应速度会变慢，同时系统的振荡变剧烈，通过增大ωo可以减小系统的振荡影响，且ωo越大，系统的整体动态响应性能会变好，如图3所示，其中，Kp＝4,Kd＝3,b0＝0.8,b1＝0.5，测试对象传递函数为1/(s2+s+1)。b0越大，系统越稳定，系统的响应速度会变慢。取b1＜b0，且b1越小，系统的动态性能会变好，系统的稳态误差会增加，如图4所示，其中，Kp＝4,Kd＝3,ωo＝20,b0＝0.8。
更进一步的，当面对被控对象时，相较于原来的线性自抗扰控制方法更容易稳定，且其参数的效果与原线性自抗扰控制器控制线性对象时一致，参数的效果如图3、图4所示，两者的对比曲线见图5。此时，对于图中的实线，无b1时，Kp＝4,Kd＝4,ωo＝20,b0＝0.8，对于图中的虚线，有b1时，Kp＝4,Kd＝4,ωo＝20,b0＝0.8,b1＝0.5。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (4)

1.一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)：建立自抗扰控制系统，其包括被控对象及线性自抗扰控制器，舵机系统如下式所示：
Figure FDA0003960427950000011
其中，δc为控制舵角，TE是舵机时间常数，考虑舵机的饱和非线性δmax＝35°，舵角速度限制
Figure FDA0003960427950000012
所述被控对象为式1的舵机系统，并考虑非线性；
所述线性自抗扰控制器包括线性扩张状态观测器及状态误差反馈控制律，所述线性扩张状态观测器如下式所示：
Figure FDA0003960427950000013
其中，uc＝[u y]T是线性扩张状态观测器的输入，u为控制量，y为系统输出，z＝[z1 z2z3]T是线性扩张状态观测器观测得到的三个状态量，即观测器的输出，
Figure FDA0003960427950000014
且A*、B*、C是构建线性扩张状态观测器的三个矩阵，ωo为观测器带宽；
所述状态误差反馈控制律如下式所示：
Figure FDA0003960427950000015
其中，r为输入信号或参考信号，Kp为误差放大系数，Kd为微分放大系数；
对于反馈信号的引入，当传感器得到输出信号后，可以采用线性扩张状态观测器的形式将z1,z2作为反馈，也可以直接将传感器得到的信号以及其微分作为反馈；
步骤2)：对于所述线性扩张状态观测器，在原线性扩张状态观测器中增添新的参数b1，且令b1＜b0，其表达式如式2所示；
步骤3)：所述误差反馈控制律的设计如式3所示，对于误差r-z1的增益设计为Kp，对于观测所得z2的增益设计为Kd，其中Kp,Kd均为正数；
步骤4)：将线性扩张状态观测器观测到的总扰动z3加入到整个控制系统中，得到最终的控制量u如下式所示：
Figure FDA0003960427950000021
2.根据权利要求1所述的一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法，其特征在于，引入稳态误差，作为切换控制中的一环。
3.根据权利要求2所述的一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法，其特征在于，系统的被控对象传递函数为二阶时，整个系统的稳态误差会随着b1的变化而变化。
4.根据权利要求3所述的一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法，其特征在于，当无b1时，即b1＝b0时，其特征与二阶线性自抗扰相同；当有b1时，其为所述的扩展的二阶线性自抗扰控制方法。
CN202010971857.3A 2020-09-16 2020-09-16 一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法 Active CN112130456B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010971857.3A CN112130456B (zh) 2020-09-16 2020-09-16 一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010971857.3A CN112130456B (zh) 2020-09-16 2020-09-16 一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112130456A CN112130456A (zh) 2020-12-25
CN112130456B true CN112130456B (zh) 2023-02-28

Family

ID=73846504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010971857.3A Active CN112130456B (zh) 2020-09-16 2020-09-16 一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112130456B (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104570730A (zh) * 2014-11-26 2015-04-29 中国科学院光电技术研究所 一种改进的自抗扰控制方法
CN105182750B (zh) * 2015-09-02 2018-06-26 中国人民解放军军械工程学院 一种线性/非线性自抗扰控制系统切换控制方法
CN108227485B (zh) * 2017-12-01 2020-11-24 西北工业大学 一种带有执行器饱和的空间机器人自抗扰控制方法
CN109752954B (zh) * 2018-12-17 2021-01-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法
CN109460043B (zh) * 2018-12-29 2022-08-19 上海海事大学 一种基于多模态非奇异终端滑模船舶航迹自抗扰控制方法
CN111562793B (zh) * 2020-04-08 2021-11-02 中南大学 考虑任务时间约束的航天器姿态控制方法
CN111352345B (zh) * 2020-04-08 2022-05-17 河南工业大学 一种基于极点配置的线性自抗扰控制参数整定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112130456A (zh) 2020-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110572093B (zh) 基于电机位置伺服系统期望轨迹和干扰补偿的arc控制方法
CN110247585B (zh) 一种基于滑模变结构的多轴伺服变比例协同控制方法
CN112769364B (zh) 一种直流电机伺服系统的快速自适应抗扰控制方法
CN110224639B (zh) 一种基于滑模控制器的偏差耦合控制方法
CN108489015B (zh) 基于极点配置和帕德近似的空调系统温度控制方法
CN110989355A (zh) 一种改进型自抗扰控制器
McFarland et al. Robust adaptive control of uncertain nonlinear systems using neural networks
CN109856968B (zh) 一种基于相平面模糊自调整的倒立摆系统改进型自抗扰控制方法
CN111198570B (zh) 一种基于固定时间微分器预测的抗时延高精度自抗扰姿态控制方法
CN105182744B (zh) 纳米定位系统的抗干扰控制方法
CN112130456B (zh) 一种扩展的二阶线性自抗扰控制方法
CN108803325B (zh) 永磁同步电机伺服系统鲁棒有限时间控制方法
CN113885543B (zh) 一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法
CN111766780B (zh) 开环稳定受限系统的抗饱和控制器设计方法
CN113467340A (zh) 改进的一阶线性自抗扰控制系统及其参数整定方法
CN111413996B (zh) 一种基于事件触发eso的四旋翼保性能轨迹跟踪控制方法
CN113268072A (zh) 一种基于特征模型的四旋翼无人机抗扰控制方法
CN112859602A (zh) 一种非最小相位系统输出重定义方法
CN108828952B (zh) 基于小脑神经网络的舵机电动加载系统智能控制方法
CN108762085A (zh) 一种鲁棒快速点对点运动控制方法
CN112821840B (zh) 一种永磁同步电机非光滑自适应直接转矩控制方法和系统
CN116125785A (zh) 一种光刻机工件台运动控制方法
CN112445128B (zh) 一种基于相平面法的快速调转的分段控制器设计方法
CN114374346A (zh) 一种永磁同步电动机高性能控制方法
CN114488804A (zh) 基于事件触发的机器人变增益超螺旋滑模控制方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant