CN114815601B - 一种减少主动悬挂系统时延误差的修正自抗扰控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种减少主动悬挂系统时延误差的修正自抗扰控制方法，能够削弱输入延迟，实现了无时滞的主动悬挂减振作用。本发明在传统自抗扰控制的基础上，先对有延迟的控制输入做时间为τ的预估，基于泰勒级数近似及Smith预估器的思想，利用跟踪微分器得到新的相位超前后的实际控制量输入主动悬挂系统；然后在新控制量与ESO之间加入τ0的延迟模块，使得整个闭环都是对当前时刻的控制效果，通过调整两个延迟模块大小，弥补延迟时间预估误差的影响，在不断循环作用下，提高系统减振效果和鲁棒性，致力于削弱时滞影响，提高整体性能。
Description
技术领域
本发明属于自抗扰控制技术领域，具体涉及一种减少主动悬挂系统时延误差的修正自抗扰控制方法。
背景技术
自抗扰控制是基于PID的“误差反馈”原理，以系统标准型即积分器串联型为基础，以工程控制鲁棒性为目标的控制技术。系统模型的不确定性、非线性及强耦合是限制系统控制效果的主要因素。自抗扰控制器引入“全部扰动”的概念处理系统非线性和不确定性因素，并对其观测和补偿，同时配合非线性的状态误差反馈律，提高控制器动态性能。传统自抗扰控制器主要由三个部分组合而成，具体如下：
第一步，利用跟踪微分器TD为参考输入安排过渡过程，得到光滑的输入信号并提取其微分信号，解决PID中快速性与超调性之间的矛盾，一般分为线性、非线性两种，一般表达式为：
式中v1,v2分别是“过渡过程”和其微分信号，r是跟踪速度因子，h是滤波因子。
第二步，扩张状态观测器ESO得到各个状态变量的估计值，同时估计系统内外扰动的实时作用值，并在反馈中给予补偿，用补偿的方法消除扰动的影响。一般表达式为：
式中βi是观测器增益，zi是xi的估计值，u是控制输入，y是系统输出。
第三步，状态误差反馈控制律SEF，将跟踪微分器和扩张状态观测器的输出之间的误差进行组合，并与ESO对总扰动的补偿量一起组成实际控制量。以二阶系统为例，线性表达式为：
自抗扰控制器可适用于存在静态耦合、具有时间延迟、无法辨识控制对象的各类复杂系统，其中就包括了坦克的主动悬挂系统的减振控制研究。悬挂系统一般包括弹性元件、导向装置和减振器，主动悬挂系统指弹性元件和减振器的特性参数都可以调节，除二者生成的力和力矩之外，还引入了外部控制力，使得车辆在遇到较大起伏的路面时，也能保证总和支撑力不至于过大，进而改善坦克作战性能。主动悬挂系统是履带式装甲车辆中连接车身与车轮，以及传递车身与车轮之间各种力和力矩的重要结构，可以很大程度上降低车体振动，保证操纵的稳定性、机动性与抗扰性。但是系统本身是存在输入时间延迟的，因此导致主动悬挂减振作用也会有时滞。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种减少主动悬挂系统时延误差的修正自抗扰控制方法，能够削弱输入延迟，实现了无时滞的主动悬挂减振作用。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明的减少主动悬挂系统时延误差的修正自抗扰控制方法，包括以下步骤：
步骤1、利用自抗扰控制将多变量的主动悬挂系统解耦为独立的六通道二阶积分串联型系统，然后分别控制各独立系统；
步骤2、输入参考信号，经传统自抗扰控制器作用后得到控制输入信号；
步骤3、利用跟踪微分器得到步骤2中控制输入信号及其微分信号；其中，利用高阶无差跟踪微分器进一步得到控制输入的高阶导数；
步骤4、控制输入和系统延迟时间τ与控制输入的微分信号乘积加和得到相位超前的实际输入即作用于主动悬挂系统的实际控制输入/>计算公式如下：
其中，u为传统自抗扰控制器计算出的输入量；
步骤5、作用于主动悬挂系统，得到包括车体质心的垂直位移、俯仰角位移、俯仰角速度及1/2车体模型中六个车轮上方的垂直振动位移作为输出变量；
步骤6、实际输入经τ0的时间延迟后输入扩张状态观测器ESO，ESO对状态变量的估计与TD的输出作差得到误差信号，继续作用于传统的自抗扰控制器中；
步骤7、重复执行步骤3至步骤6，并根据带宽法和实验结果整定观测器增益和控制律参数，并调整τ0和τ大小，直至尽可能削弱和消除输入时延；
步骤8、利用积分白噪声通过成型滤波器，来对接近真实坦克作战环境的路面激励进行建模，将该因素融入实际系统模型的不断优化过程当中。
其中，所述步骤1中，将主动悬挂系统中六个车轮上方垂直振动位移作为中间变量，将原有状态空间表达式转化为形式相同的六通道二阶积分串联型。
其中，所述步骤2中，跟踪微分器获得参考信号输入及其微分信号，扩张状态观测器得到状态变量的估计值和扰动的观测，TD和ESO两者的输出量作差得到误差信号，采用线性或非线性状态误差反馈律得到最终的控制输入，实现对车体质心加速度和俯仰角的抑制。
其中，所述扩张状态观测器是针对延迟τ0时间后的输入进行设计。
其中，对于单通道二阶系统，所述带宽法具体表达式为：
其中，wc,wo分别是观测器和控制器带宽。
其中，路面激励用路面功率谱函数来表征，根据路面不平度系数分为8个等级，选择贴近坦克作战条件的D级路面进行仿真。
有益效果
本发明在传统自抗扰控制的基础上，先对有延迟的控制输入做时间为τ的预估，基于泰勒级数近似及Smith预估器的思想，利用跟踪微分器得到新的相位超前后的实际控制量输入主动悬挂系统；然后在新控制量与ESO之间加入τ0的延迟模块，使得整个闭环都是对当前时刻的控制效果，通过调整两个延迟模块大小，弥补延迟时间预估误差的影响，在不断循环作用下，提高系统减振效果和鲁棒性，致力于削弱时滞影响，提高整体性能。
本发明中可以采用高阶无差跟踪微分器，实现尽可能弥补近似误差。
附图说明
图1为本发明方法框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明在传统自抗扰的基础上，结合跟踪微分器基于泰勒级数和Smith预估器原理去获得新的相位超前后的控制输入信号，同时在其与扩张状态观测器之间加入未知时延模块，调整两个时延参数大小弥补预估误差，闭环作用于有输入时延存在的系统，直至削弱或抵消延迟。
本发明方法具体包括以下步骤：
步骤1、利用自抗扰控制将多变量的主动悬挂系统解耦为独立的六通道二阶积分串联型系统，利用改进方法分别控制。
本实施例中，将主动悬挂系统中六个车轮上方垂直振动位移作为中间变量，将原有状态空间表达式转化为形式相同的六通道二阶积分串联型。
步骤2、输入参考信号，经传统自抗扰控制器作用后得到控制输入信号。具体地，跟踪微分器获得参考信号输入及其微分信号，扩张状态观测器得到状态变量的估计值和扰动的观测，TD和ESO两者的输出量作差得到误差信号，采用线性或非线性状态误差反馈律得到最终的控制输入即各负重轮上方车体的垂直向振动位移，实现对车体质心加速度和俯仰角的抑制。
步骤3、利用跟踪微分器得到步骤2中控制输入信号及其微分信号，此处可利用高阶无差跟踪微分器进一步得到控制输入的高阶导数。
步骤4、控制输入和系统延迟时间τ与控制输入的微分信号乘积加和得到相位超前的实际输入即作用于主动悬挂系统的实际控制输入/>计算公式如下：
其中，u为传统自抗扰控制器计算出的输入量。
步骤5、作用于主动悬挂系统，得到包括车体质心的垂直位移、俯仰角位移、俯仰角速度及1/2车体模型中六个车轮上方的垂直振动位移作为输出变量。
步骤6、实际输入经τ0的时间延迟后输入扩张状态观测器ESO，ESO对状态变量的估计与TD的输出作差得到误差信号，继续作用于传统的自抗扰控制器中；
进一步地，所述扩张状态观测器是针对延迟τ0时间后的输入进行设计，以单通道二阶系统为例，其具体表达式为：
y＝Cη(t)
其中，η为主动悬挂系统的状态变量，f为该系统的总扰动。当τ＝τ0时，观测器观测的是补偿输入时滞后的系统在当前时刻的各个状态。
步骤7、重复执行步骤3至步骤6，并根据带宽法和实验结果整定观测器增益和控制律参数，并调整τ0和τ大小，直至尽可能削弱和消除输入时延。
进一步的，所述带宽法是调节观测增益β1,β2,β3和控制律参数kp,kd的常用方法，以单通道二阶系统为例，其具体表达式为：
其中，wc,wo分别是观测器和控制器带宽。
步骤8、利用积分白噪声通过成型滤波器，来对接近真实坦克作战环境的路面激励进行建模，将该因素融入实际系统模型的不断优化过程当中。
本实施例中，路面激励用路面功率谱函数来表征，根据路面不平度系数分为8个等级，选择贴近坦克作战条件的D级路面进行仿真。
最后通过实验对本发明的性能进行了评估，基于D级路面进行仿真，分别测试了车体质心的垂直振动位移、速度、加速度，质心俯仰角位移、角速度、角加速度，各负重轮上方车体垂直位移，在输入时延取15s时，其能削弱时间延迟的影响，抑制车体振动，有较好的减振效果。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种减少主动悬挂系统时延误差的修正自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用自抗扰控制将多变量的主动悬挂系统解耦为独立的六通道二阶积分串联型系统，然后分别控制各独立系统；
步骤2、输入参考信号，经传统自抗扰控制器作用后得到控制输入信号；
步骤3、利用跟踪微分器得到步骤2中控制输入信号及其微分信号；其中，利用高阶无差跟踪微分器进一步得到控制输入的高阶导数；
步骤4、控制输入和系统延迟时间τ与控制输入的微分信号乘积加和得到相位超前的实际控制输入即作用于主动悬挂系统的实际控制输入/>计算公式如下：
其中，u(s)为传统自抗扰控制器计算出的输入量，为控制输入的微分信号；
步骤5、作用于主动悬挂系统，得到包括车体质心的垂直位移、俯仰角位移、俯仰角速度及1/2车体模型中六个车轮上方的垂直振动位移作为输出变量；
步骤6、实际控制输入经τ0的时间延迟后输入扩张状态观测器ESO，ESO对状态变量的估计与TD的输出作差得到误差信号，继续作用于传统的自抗扰控制器中；
步骤7、重复执行步骤3至步骤6，并根据带宽法和实验结果整定观测器增益和控制律参数，并调整τ0和τ大小，直至尽可能削弱和消除输入时延；
步骤8、利用积分白噪声通过成型滤波器，来对接近真实坦克作战环境的路面激励进行建模，将该因素融入实际系统模型的不断优化过程当中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，将主动悬挂系统中六个车轮上方垂直振动位移作为中间变量，将原有状态空间表达式转化为形式相同的六通道二阶积分串联型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，跟踪微分器获得参考信号输入及其微分信号，扩张状态观测器得到状态变量的估计值和扰动的观测，TD和ESO两者的输出量作差得到误差信号，采用线性或非线性状态误差反馈律得到最终的控制输入，实现对车体质心加速度和俯仰角的抑制。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩张状态观测器是针对延迟τ0时间后的输入进行设计。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于单通道二阶系统，所述带宽法具体表达式为：
其中，β1,β2,β3均为观测增益，kp,kd均为控制律参数，wc,wo分别是观测器和控制器带宽。
6.如权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，路面激励用路面功率谱函数来表征，根据路面不平度系数分为8个等级，选择贴近坦克作战条件的D级路面进行仿真。
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