CN112147898A - 一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法及系统 - Google Patents

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CN112147898A CN202011052768.5A CN202011052768A CN112147898A CN 112147898 A CN112147898 A CN 112147898A CN 202011052768 A CN202011052768 A CN 202011052768A CN 112147898 A CN112147898 A CN 112147898A
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Abstract

本发明公开了一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法及系统，所述方法包括：建立待抗扰控制的刚体系统的位移或者角度控制模型；基于控制模型获得控制方向信息与刚体系统位移或角度的跟踪误差信号；基于总和加速度动态估计器，获得刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值及刚体系统总和加速度估计值；建立仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程；基于仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程实现刚体系统抗扰控制。本发明能够在无法获取刚体系统质量与转动惯量估计数值，仅能依赖控制方向情况下，实现刚体系统位移或角度控制。

Description

一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法及系统
技术领域
本发明属于刚体系统控制方法技术领域，特别涉及一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗 扰控制方法及系统。
背景技术
刚体系统的应用场景非常广泛，例如火箭飞行系统、电梯运载系统、电机伺服系统等。刚 体系统的控制任务目标是控制刚体位移或者刚体角度跟踪指定的参考信号，例如电机伺服系统 动子的位移与指定的位移参考信号相同。
刚体系统往往会受到各类内部与外部的不确定性影响，其中包括了系统内部未建模的非线 性动态、外部力或力矩干扰以及模型参数摄动等。目前针对刚体系统中的各类不确定性，已有 许多成熟有效的方法，例如自抗扰控制方法、基于扰动观测器的主动抗扰控制方法、比例-积 分-微分反馈控制方法等等。
尽管目前所设计的刚体控制系统已经能够处理很大范围的内外不确定性，但在控制系统设 计中需要相对准确的刚体系统的质量或转动惯量信息。例如，在基于自抗扰控制方法的刚体系 统中，由于需要主动补偿总和不确定性对控制系统的影响，需要设计总和不确定性与质量或转 动惯量的比值项。若控制设计中所用的质量或转动惯量的估计值与实际值差距较大，此时基于 自抗扰控制的刚体系统将会出现失稳等恶劣的闭环响应。同样地，在比例-积分-微分反馈控制 方法中，若刚体系统质量或转动惯量发生大范围变化，将导致依据标称质量或转动惯量设计的 控制系统闭环响应变差，甚至出现系统不稳定的情况。
实际中有一大类刚体系统，其质量或转动惯量在系统运行过程中会发生大范围变化，并且 无法低成本地实时估算质量或转动惯量的具体数值。下面以质量变化为例来说明：火箭、电梯 等运载任务为主的刚体系统，由于燃料燃烧、运载任务变化等原因，导致其载重变动，即质量 将会大范围变动。同时，若增加质量或转动惯量传感器，将会增加系统复杂性，降低系统整体 可靠性，提高刚体系统的建设成本与维护成本。如何能够在大范围质量或转动惯量变动并且其 具体数值无法估算的情况下，设计具有强抗扰特性的刚体控制系统，是刚体系统控制领域的一 个重要问题。
综上，亟需一种新的仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法及系统，以解决 上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够在无法获取刚体系统质量与转动惯量估计数值， 仅能依赖控制方向情况下，实现刚体系统位移或角度控制。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立待抗扰控制的刚体系统的位移或者角度控制模型；基于控制模型获得控制方 向信息与刚体系统位移或角度的跟踪误差信号；
步骤2，基于步骤1获得的跟踪误差信号建立总和加速度动态估计器；基于总和加速度动 态估计器，获得刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值及刚体系统总和加速度估计值；
步骤3，基于步骤1获得的控制方向信息、刚体系统位移或角度的跟踪误差信号，以及步 骤2获得的刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值、刚体系统总和加速度估计值，建 立仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程；基于仅依赖控制方向信息的扰动补偿控 制输入动态方程实现刚体系统抗扰控制。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，
刚体系统的位移或者角度控制模型表示为：
Figure BDA0002710060810000031
式中，x1(t)∈R为刚体在t时刻的位移或者角度，x2(t)∈R为刚体在t时刻的速度或者 角速度，u(t)∈R为刚体系统在t时刻的外部控制输入力或力矩，MI(t)∈R为刚体系统在t 时刻的质量或转动惯量，f(x1(t),x2(t))∈R为刚体系统中未建模系统内部动态力或力矩在t 时刻的值，d(t)∈R为刚体系统在t时刻受到的外部干扰力或力矩；
控制方向信息表示为：
Figure BDA0002710060810000032
式中，sb(t)∈R为控制方向信息；
刚体系统位移或角度的跟踪误差信号表示为：
e1(t)＝x1(t)-r(t)，
式中，e1(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度跟踪误差信号，r(t)∈R为刚体系统 在t时刻的位移或角度参考信号。
本发明的进一步改进在于步骤2中，
总和加速度动态估计器表示为：
Figure BDA0002710060810000033
式中，
Figure BDA0002710060810000034
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信 号估计值；
Figure BDA0002710060810000035
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差 信号变化率估计值；
Figure BDA0002710060810000041
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体系统总和加速度的 估计值；[l1 l2 l3]T∈R3为总和加速度动态估计器的增益参数向量。
本发明的进一步改进在于步骤3中，
仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程表示为：
Figure BDA0002710060810000042
式中，λ∈R为控制动态调节系数，kp∈R为比例增益系数，kd∈R为微分增益系数。
本发明的进一步改进在于还包括：
步骤4，获取总和加速度动态估计器标称闭环系统特征方程以及标称误差信号闭环系统特 征方程：
x3+l1x2+l2x+l3＝0， (1)
x2+kdx+kp＝0， (2)
式(1)(2)中，x∈R表示方程中的未知数；
使得式(1)的解为ωo，ωo∈R为总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值；使得式 (2)的解为ωc，ωc∈R为标称误差信号闭环系统特征值；其中，ωo＜0，ωc＜0；
总和加速度动态估计器的增益参数向量、比例增益系数与微分增益系表示为：
Figure BDA0002710060810000043
基于总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值，建立控制动态调节系数：
λ＝(-ωo)k，
其中，k∈R为控制动态调节系数与总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值之间的指数关系系数，满足0＜k＜1。
本发明的进一步改进在于，所述待抗扰控制的刚体系统为质量与转动惯量变动且无法实时 估算具体数值的刚体系统。
本发明的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制系统，包括：
模型构建及计算模块，用于建立待抗扰控制的刚体系统的位移或者角度控制模型；基于控 制模型计算获得控制方向信息与刚体系统位移或角度的跟踪误差信号；
总和加速度动态估计器模块，用于根据获得的跟踪误差信号建立总和加速度动态估计器； 基于总和加速度动态估计器，获得刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值及刚体系统 总和加速度估计值；
抗扰控制模块，用于根据获得的控制方向信息、刚体系统位移或角度的跟踪误差信号、刚 体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值以及刚体系统总和加速度估计值，建立仅依赖控 制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程；基于仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态 方程实现刚体系统抗扰控制。
本发明的进一步改进在于，模型构建及计算模块中，
刚体系统的位移或者角度控制模型表示为：
Figure BDA0002710060810000051
式中，x1(t)∈R为刚体在t时刻的位移或者角度，x2(t)∈R为刚体在t时刻的速度或者 角速度，u(t)∈R为刚体系统在t时刻的外部控制输入力或力矩，MI(t)∈R为刚体系统在t 时刻的质量或转动惯量，f(x1(t),x2(t))∈R为刚体系统中未建模系统内部动态力或力矩在t 时刻的值，d(t)∈R为刚体系统在t时刻受到的外部干扰力或力矩；
控制方向信息表示为：
Figure BDA0002710060810000052
式中，sb(t)∈R为控制方向信息；
刚体系统位移或角度的跟踪误差信号表示为：
e1(t)＝x1(t)-r(t)，
式中，e1(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度跟踪误差信号，r(t)∈R为刚体系统 在t时刻的位移或角度参考信号。
本发明的进一步改进在于，总和加速度动态估计器模块中，
总和加速度动态估计器表示为：
Figure BDA0002710060810000061
式中，
Figure BDA0002710060810000062
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信 号估计值；
Figure BDA0002710060810000063
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差 信号变化率估计值；
Figure BDA0002710060810000064
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体系统总和加速度的 估计值；[l1 l2 l3]T∈R3为总和加速度动态估计器的增益参数向量。
本发明的进一步改进在于，抗扰控制模块中，
仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程表示为：
Figure BDA0002710060810000065
式中，λ∈R为控制动态调节系数，kp∈R为比例增益系数，kd∈R为微分增益系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于质量与转动惯量满足恒大于零，因此刚体控制系统的控制方向信息是已知的；仅通过 控制方向信息设计刚体控制系统，是解决刚体系统质量或转动惯量未知且大范围变化的一个途 径。本发明的方法中，针对仅已知控制方向信息而无法获得刚体系统质量与转动惯量估计数值 的情况，提出了总和加速度动态估计器；基于总和加速度动态估计值，提出了不依赖质量或转 动惯量具体数值而仅依赖控制方向信息的刚体系统控制输入动态生成方法，实现了刚体系统内 外不确定性的主动补偿。
本发明的方法进一步利用特征值方法提出了刚体控制系统系数的简化方法，将待调节的六 个控制器系统简化为三个具有收敛速度等实际含义的系数。
刚体系统的控制目标是通过设计系统输入的力或者力矩，使得刚体的位移或者速度能够跟 踪指定的参考信号。本发明的系统中，在仅已知控制方向信息而无法获得刚体系统质量与转动 惯量估计数值的情况，设计有总和加速度动态估计器，获得总和加速度动态估计值；提出了控 制输入动态生成方法，设计了控制输入动态方程；利用总和加速度动态估计值，实现了主动补 偿系统内外不确定性的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述 中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法的控制结构示 意图；
图3是本发明实施例中，本发明方法和比例-微分误差反馈方法在场景一与场景二下的直 线电机动子位移控制结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下 所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，包括以 下步骤：
步骤(一)：建立刚体系统的位移或者角度控制模型，计算控制方向信息与跟踪误差信号。
其中，建立刚体系统的位移或者角度控制模型：
Figure BDA0002710060810000081
其中，x1(t)∈R为刚体在t时刻的位移或者角度，x2(t)∈R为刚体在t时刻的速度或者 角速度，u(t)∈R为刚体系统在t时刻的外部控制输入力或力矩，MI(t)∈R为刚体系统在t 时刻的质量或转动惯量，f(x1(t),x2(t))∈R为刚体系统中未建模系统内部动态力或力矩在t 时刻的值，d(t)∈R为刚体系统在t时刻受到的外部干扰力或力矩。
计算控制方向信息：
Figure BDA0002710060810000082
其中，sb(t)∈R为控制方向信息。
建立刚体系统的跟踪误差信号：
e1(t)＝x1(t)-r(t), (3)
其中，e1(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度跟踪误差信号，r(t)∈R为刚体系统 在t时刻的位移或角度参考信号。
步骤(二)：建立基于误差信号的总和加速度动态估计器：
Figure BDA0002710060810000091
其中，
Figure BDA0002710060810000092
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信 号估计值，
Figure BDA0002710060810000093
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差 信号变化率估计值，
Figure BDA0002710060810000094
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体系统总和加速度的 估计值，[l1 l2 l3]T∈R3为总和加速度动态估计器的增益参数向量。
步骤(三)：建立不依赖质量或转动惯量具体数值而依赖控制方向信息的刚体系统控制输入 动态方程。其中，基于步骤(一)中获得的控制方向信息与刚体系统位移或角度跟踪误差信号， 以及步骤(二)中获得的刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值与刚体系统总和加速 度估计值，设计仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入：
Figure BDA0002710060810000095
其中，λ∈R为控制动态调节系数，kp∈R为比例增益系数，kd∈R为微分增益系数。
优选的，还包括步骤(四)：基于特征值方法的刚体控制系统的选取方法。计算总和加速度 动态估计器标称闭环系统特征方程以及标称误差信号闭环系统特征方程：
x3+l1x2+l2x+l3＝0, (6)
x2+kdx+kp＝0, (7)
其中，x∈R表示方程中的未知数。
利用特征值方法，设计总和加速度动态估计器的增益参数向量、比例增益系数与微分增益 系数，使得方程(6)的解为ωo，其中ωo∈R为总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值，使 得方程(7)的解为ωc，其中ωc∈R为标称误差信号闭环系统特征值，并且ωo＜0，ωc＜0。
进而可设计总和加速度动态估计器的增益参数向量、比例增益系数与微分增益系为：
Figure BDA0002710060810000101
基于总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值，设计建立控制动态调节系数：
λ＝(-ωo)k, (9)
其中k∈R为控制动态调节系数与总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值之间的指 数关系系数，满足0＜k＜1。
本发明实施例解决的技术问题是：针对仅已知控制方向信息而无法获得刚体系统质量与转 动惯量估计数值的情况，发明了总和加速度动态估计器，并且基于总和加速度动态估计值，发 明了不依赖质量或转动惯量具体数值而依赖控制方向信息的刚体系统控制输入动态生成方法， 并且实现了系统内外不确定性的主动补偿，进一步利用特征值方法发明了刚体控制系统系数的 简化方法，将待调节的六个控制器系统简化为三个具有收敛速度等实际含义的系数。刚体系统 的控制目标是通过设计系统输入的力或者力矩，使得刚体的位移或者速度能够跟踪指定的参考 信号。本发明在仅已知控制方向信息而无法获得刚体系统质量与转动惯量估计数值的情况，首 先设计总和加速度动态估计器，获得总和加速度动态估计值。进一步，发明了控制输入动态生 成方法，设计了控制输入动态方程，并且利用总和加速度动态估计值，实现了主动补偿系统内 外不确定性的功能。最后，依据特征值方法，发明了刚体控制系统系数的简化方法，将待调节 的六个控制器系统简化为三个具有收敛速度等实际含义的系数。
请参阅图2，本发明实施例的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制系统，包括： 刚体系统部分、用于采集刚体系统位移或角度的传感器设备、参考信号生成环节，以及本发明 设计的仅依赖控制方向信息的控制输入生成环节。基于传感器设备测量的刚体系统位移或角度 以及外部生成的参考信号，本发明设计的控制输入生成环节可产生刚体系统所需的力或者力矩， 从而实现刚体系统位移或角度的跟踪控制。
本发明实施例的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制系统，包括：
模型构建及计算模块，用于建立待抗扰控制的刚体系统的位移或者角度控制模型；基于控 制模型计算获得控制方向信息与刚体系统位移或角度的跟踪误差信号；
总和加速度动态估计器模块，用于根据获得的跟踪误差信号建立总和加速度动态估计器； 基于总和加速度动态估计器，获得刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值及刚体系统 总和加速度估计值；
抗扰控制模块，用于根据获得的控制方向信息、刚体系统位移或角度的跟踪误差信号、刚 体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值以及刚体系统总和加速度估计值，建立仅依赖控 制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程；基于仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态 方程实现刚体系统抗扰控制。
其中，模型构建及计算模块中，刚体系统的位移或者角度控制模型表示为：
Figure BDA0002710060810000111
式中，x1(t)∈R为刚体在t时刻的位移或者角度，x2(t)∈R为刚体在t时刻的速度或者 角速度，u(t)∈R为刚体系统在t时刻的外部控制输入力或力矩，MI(t)∈R为刚体系统在t 时刻的质量或转动惯量，f(x1(t),x2(t))∈R为刚体系统中未建模系统内部动态力或力矩在t 时刻的值，d(t)∈R为刚体系统在t时刻受到的外部干扰力或力矩；
控制方向信息表示为：
Figure BDA0002710060810000112
式中，sb(t)∈R为控制方向信息；
刚体系统位移或角度的跟踪误差信号表示为：
e1(t)＝x1(t)-r(t)，
式中，e1(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度跟踪误差信号，r(t)∈R为刚体系统 在t时刻的位移或角度参考信号。
其中，总和加速度动态估计器模块中，总和加速度动态估计器表示为：
Figure BDA0002710060810000121
式中，
Figure BDA0002710060810000122
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信 号估计值；
Figure BDA0002710060810000123
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差 信号变化率估计值；
Figure BDA0002710060810000124
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体系统总和加速度的 估计值；[l1 l2 l3]T∈R3为总和加速度动态估计器的增益参数向量。
其中，抗扰控制模块中，
仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程表示为：
Figure BDA0002710060810000125
式中，λ∈R为控制动态调节系数，kp∈R为比例增益系数，kd∈R为微分增益系数。
本发明针对刚体系统质量与转动惯量大范围变动且无法低成本实时估算具体数值的情况， 发明了仅依赖控制方向信息的刚体系统控制设计方法。首先设计总和加速度动态估计器，获得 总和加速度动态估计值。进一步，发明了控制输入动态生成方法，设计了控制输入动态方程， 并且利用总和加速度动态估计值，实现了主动补偿系统内外不确定性的功能。最后，依据特征 值方法，发明了刚体控制系统系数的简化方法，将待调节的六个控制器系统简化为三个具有收 敛速度等实际含义的系数。
本发明的优点具体表现在：
(1)以火箭、运输工具为代表的一类实际刚体控制系统中，系统质量或转动惯量会发生 大范围变动，无法高效且低成本地实时估计质量或转动惯量的具体数值，本发明通过建立不依 赖质量或转动惯量具体数值而依赖控制方向信息的刚体系统控制输入动态方程，避免了因为使 用不准确的质量或转动惯量估计值所造成系统闭环响应差、抗扰能力弱的问题，克服了同时存 在各类内外不确定性以及系统质量或转动惯量估计偏差情况下的刚体系统跟踪控制困难；
(2)本发明基于跟踪误差信号，设计了总和加速度动态估计器，并进一步发明了具有总 和加速度动态补偿环节的控制输入动态方程。与现有的利用跟踪误差信号的估计器设计不同， 本发明采用跟踪误差信号，设计了可估计总和加速度动态的估计器。同时，利用此估计器获得 的估计值，发明了总和加速度动态补偿环节的控制输入动态方程，该环节可主动补偿系统各类 内外不确定性。
(3)本发明基于特征值方法，提出了刚体控制系统系数的选取方法。通过分析总和加速 度动态估计器标称闭环系统特征方程以及标称误差信号闭环系统特征方程，将待调节的总和加 速度动态估计器的增益参数向量、比例增益系数与微分增益系数(共五个系数)简化为选取具 有实际收敛速度含义的总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值与标称误差信号闭环系统 特征值(共两个系数)。同时，本发明建立了控制动态调节系数与总和加速度动态估计器标称 闭环系统特征值的指数关系，进而将控制动态调节系数选取问题简化为指数关系系数k的选取。
本发明具体实施例中，通过直线电机伺服控制系统实验台进行实验以验证本发明控制方 法的有效性，实际直线电机伺服控制系统的参考文献：Chen-Sheng Ting,Jyun-FanLieu, Chun-Shan Liu,Ren-Wei Hsu.An adaptive FNN control design of PMLSM instationary reference frame.An adaptive FNN control design of PMLSM instationary reference frame,2016,27(4): 391-405.
其中，直线电机伺服控制系统实验台的基本参数为：直线电机动子质量为1.4(千克)。
直线电机动子位置的参考信号为：
Figure BDA0002710060810000141
参考信号的采样间隔时间为0.001(秒)。
具体实施步骤一：建立直线电机伺服控制系统的位移控制模型(1)和跟踪误差信号(2)，利 用直线电机含负载动子的质量恒大于零以及电压推力系数恒大于零，可计算控制方向信息 sb(t)＝1。
具体实施步骤二：建立基于跟踪误差信号的总和加速度动态估计器：
Figure BDA0002710060810000142
具体实施步骤三：基于具体实施步骤(一)中获得的控制方向信息与刚体系统位移或角度 跟踪误差信号，以及具体实施步骤(二)中获得的刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估 计值与刚体系统总和加速度估计值具体步骤(二)中获得的参考信号二阶微分估计值以及具体 步骤(三)中总和扰，设计主动补偿系统内外不确定性的刚体系统控制输入动态方程：
Figure BDA0002710060810000143
具体实施步骤四：利用特征值方法，设计总和加速度动态估计器的增益参数向量、比例增 益系数与微分增益系为：
Figure BDA0002710060810000144
其中ωo∈R为总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值，ωc∈R为标称误差信号闭环 系统特征值。设计ωo与ωc满足：
ωo＝256,ωc＝25. (14) 基于总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值，设计建立控制动态调节系数：
Figure BDA0002710060810000151
本发明具体实施例中，为了进一步研究本发明方法的适用性，进行比例-微分误差反馈控 制方法和本发明方法的对比实验。在实验中，本发明设计两种场景：
场景一：直线电机伺服控制系统无负载情况；
场景二：直线电机伺服控制系统负载质量为1.79(千克)情况。
图3为场景一与场景二下的直线电机动子位移控制结果图。
由于直线电机伺服系统的负载发生变化，因此图3显示比例-微分误差反馈控制方法会产 生较大跟踪误差。本发明方法仅依赖直线电机伺服控制系统的控制方向信息，图3中场景一与 场景二的控制效果显示：本发明方法对直线电机转子负载质量的变化不敏感，闭环跟踪误差小， 精度高。同时本发明方法未使用直线电机动子所受的摩擦力模型，能够利用所设计的总和加速 度动态估计补偿环节，来有效补偿摩擦力等未建模不确定性对控制系统的影响。
本发明实施例中所用参数集中解释包括：
R：全体实数构成的集合；
t：刚体控制系统的运行时间，t∈[0,∞)；
x1(t)：刚体在t时刻的位移或者角度，x1(t)∈R；
x2(t)：刚体在t时刻的速度或者角速度，x2(t)∈R；
u(t)：刚体系统在t时刻的外部控制输入力或力矩，u(t)∈R；
MI(t)：为刚体系统在t时刻的质量或转动惯量，MI(t)∈R；
f(x1(t),x2(t))：刚体系统中未建模系统内部动态力或力矩在t时刻的值， f(x1(t),x2(t))∈R；
d(t)：刚体系统在t时刻受到的外部干扰力或力矩，d(t)∈R；
sb(t)：控制方向信息，sb(t)∈R；
e1(t)：刚体系统在t时刻的位移或角度跟踪误差信号，e1(t)∈R；
r(t)：刚体系统在t时刻的位移或角度参考信号，r(t)∈R；
Figure BDA0002710060810000161
总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信号估计值，
Figure BDA0002710060810000162
Figure BDA0002710060810000163
总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率 估计值，
Figure BDA0002710060810000164
Figure BDA0002710060810000165
总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体系统总和加速度的估计值，
Figure BDA0002710060810000166
l1：总和加速度动态估计器的增益参数，l1∈R；
l2：总和加速度动态估计器的增益参数，l2∈R；
l3：总和加速度动态估计器的增益参数，l3∈R；
λ：控制动态调节系数，λ∈R；
kp：比例增益系数，kp∈R；
kd：微分增益系数，kd∈R；
x：方程中的未知数，x∈R；
ωo：总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值，ωo∈R；
ωc：标称误差信号闭环系统特征值，ωc∈R；
k：控制动态调节系数与总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值之间的指数关系系数， k∈R。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。 因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形 式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质 (包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或 方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通 用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器， 使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工 作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造 品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的 功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其 他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设 备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方 框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进 行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等 同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权 利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立待抗扰控制的刚体系统的位移或者角度控制模型；基于控制模型获得控制方向信息与刚体系统位移或角度的跟踪误差信号；
步骤2，基于步骤1获得的跟踪误差信号建立总和加速度动态估计器；基于总和加速度动态估计器，获得刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值及刚体系统总和加速度估计值；
步骤3，基于步骤1获得的控制方向信息、刚体系统位移或角度的跟踪误差信号，以及步骤2获得的刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值、刚体系统总和加速度估计值，建立仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程；基于仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程实现刚体系统抗扰控制。
2.根据权利要求1所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，其特征在于，步骤1中，
刚体系统的位移或者角度控制模型表示为：
Figure FDA0002710060800000011
式中，x1(t)∈R为刚体在t时刻的位移或者角度，x2(t)∈R为刚体在t时刻的速度或者角速度，u(t)∈R为刚体系统在t时刻的外部控制输入力或力矩，MI(t)∈R为刚体系统在t时刻的质量或转动惯量，f(x1(t),x2(t))∈R为刚体系统中未建模系统内部动态力或力矩在t时刻的值，d(t)∈R为刚体系统在t时刻受到的外部干扰力或力矩；
控制方向信息表示为：
Figure FDA0002710060800000012
式中，sb(t)∈R为控制方向信息；
刚体系统位移或角度的跟踪误差信号表示为：
e1(t)＝x1(t)-r(t)，
式中，e1(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度跟踪误差信号，r(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度参考信号。
3.根据权利要求2所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，其特征在于，步骤2中，
总和加速度动态估计器表示为：
Figure FDA0002710060800000021
式中，
Figure FDA0002710060800000022
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信号估计值；
Figure FDA0002710060800000023
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值；
Figure FDA0002710060800000024
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体系统总和加速度的估计值；[l1 l2 l3]T∈R3为总和加速度动态估计器的增益参数向量。
4.根据权利要求3所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，其特征在于，步骤3中，
仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程表示为：
Figure FDA0002710060800000025
式中，λ∈R为控制动态调节系数，kp∈R为比例增益系数，kd∈R为微分增益系数。
5.根据权利要求4所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，其特征在于，还包括：
步骤4，获取总和加速度动态估计器标称闭环系统特征方程以及标称误差信号闭环系统特征方程：
x3+l1x2+l2x+l3＝0， (1)
x2+kdx+kp＝0， (2)
式(1)(2)中，x∈R表示方程中的未知数；
使得式(1)的解为ωo，ωo∈R为总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值；使得式(2)的解为ωc，ωc∈R为标称误差信号闭环系统特征值；其中，ωo＜0，ωc＜0；
总和加速度动态估计器的增益参数向量、比例增益系数与微分增益系表示为：
Figure FDA0002710060800000031
kd＝-ωc，
基于总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值，建立控制动态调节系数：
λ＝(-ωo)k，
其中，k∈R为控制动态调节系数与总和加速度动态估计器标称闭环系统特征值之间的指数关系系数，满足0＜k＜1。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制方法，其特征在于，所述待抗扰控制的刚体系统为质量与转动惯量变动且无法实时估算具体数值的刚体系统。
7.一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制系统，其特征在于，包括：
模型构建及计算模块，用于建立待抗扰控制的刚体系统的位移或者角度控制模型；基于控制模型计算获得控制方向信息与刚体系统位移或角度的跟踪误差信号；
总和加速度动态估计器模块，用于根据获得的跟踪误差信号建立总和加速度动态估计器；基于总和加速度动态估计器，获得刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值及刚体系统总和加速度估计值；
抗扰控制模块，用于根据获得的控制方向信息、刚体系统位移或角度的跟踪误差信号、刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值以及刚体系统总和加速度估计值，建立仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程；基于仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程实现刚体系统抗扰控制。
8.根据权利要求7所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制系统，其特征在于，模型构建及计算模块中，
刚体系统的位移或者角度控制模型表示为：
Figure FDA0002710060800000041
式中，x1(t)∈R为刚体在t时刻的位移或者角度，x2(t)∈R为刚体在t时刻的速度或者角速度，u(t)∈R为刚体系统在t时刻的外部控制输入力或力矩，MI(t)∈R为刚体系统在t时刻的质量或转动惯量，f(x1(t),x2(t))∈R为刚体系统中未建模系统内部动态力或力矩在t时刻的值，d(t)∈R为刚体系统在t时刻受到的外部干扰力或力矩；
控制方向信息表示为：
Figure FDA0002710060800000042
式中，sb(t)∈R为控制方向信息；
刚体系统位移或角度的跟踪误差信号表示为：
e1(t)＝x1(t)-r(t)，
式中，e1(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度跟踪误差信号，r(t)∈R为刚体系统在t时刻的位移或角度参考信号。
9.根据权利要求8所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制系统，其特征在于，总和加速度动态估计器模块中，
总和加速度动态估计器表示为：
Figure FDA0002710060800000051
式中，
Figure FDA0002710060800000052
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信号估计值；
Figure FDA0002710060800000053
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体位移或者角度的跟踪误差信号变化率估计值；
Figure FDA0002710060800000054
为总和加速度动态估计器在t时刻给出的刚体系统总和加速度的估计值；[l1 l2 l3]T∈R3为总和加速度动态估计器的增益参数向量。
10.根据权利要求9所述的一种仅依赖控制方向信息的刚体系统抗扰控制系统，其特征在于，抗扰控制模块中，
仅依赖控制方向信息的扰动补偿控制输入动态方程表示为：
Figure FDA0002710060800000055
式中，λ∈R为控制动态调节系数，kp∈R为比例增益系数，kd∈R为微分增益系数。
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