CN115933416A - 基于eso的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质 - Google Patents

基于eso的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质 Download PDF

Info

Publication number
CN115933416A
CN115933416A CN202310223582.9A CN202310223582A CN115933416A CN 115933416 A CN115933416 A CN 115933416A CN 202310223582 A CN202310223582 A CN 202310223582A CN 115933416 A CN115933416 A CN 115933416A
Authority
CN
China
Prior art keywords
test equipment
terminal sliding
mode control
eso
sliding mode
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.)
Granted
Application number
CN202310223582.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115933416B (zh
Inventor
王常虹
李子钦
王振桓
曾庆双
孙谷昊
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.)
Shenrui Technology Beijing Co ltd
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Shenrui Technology Beijing Co ltd
Harbin Institute of Technology
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 Shenrui Technology Beijing Co ltd, Harbin Institute of Technology filed Critical Shenrui Technology Beijing Co ltd
Priority to CN202310223582.9A priority Critical patent/CN115933416B/zh
Publication of CN115933416A publication Critical patent/CN115933416A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115933416B publication Critical patent/CN115933416B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质，涉及惯性测试设备技术领域，所述方法包括：建立包含系统参数不确定性和外部干扰的惯性测试设备系统数学模型；基于bilimit构建有限时间收敛至零的终端滑模面以及连续终端滑模控制算法；通过扩张状态观测器对所述惯性测试设备进行观测，得到所述惯性测试设备的外部集总扰动；将所述外部集总扰动通过前馈补偿至终端滑模控制器。通过本公开的处理方案，提升了测试设备系统收敛的快速性以及鲁棒性，进而使得系统具有更高的精度。

Description

基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及惯性测试设备技术领域，尤其涉及一种基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质。
背景技术
惯性测试设备通常用于对惯性器件及系统进行测试，在航天、航海等领域使用广泛。惯性测试设备通过对惯性产品输入激励，根据输出量测试惯性产品的性能指标，标定相关误差模型参数等，是精确、全面地分析惯性产品的重要装备和手段。为了提高惯性仪表精度、静动态性能，则需要通过对惯性仪表元件建立精准的模型，模拟各种激励对惯性仪表的输入，进而准确地标定惯性仪表。目前，在航空、航海、军事等领域，多种多样的载体具有更高的导航精度、动态性能指标的需求，因此高精度惯性测试设备的控制方法是其中一项核心关键技术。
目前惯性测试设备系统上使用的传统PID控制具有调节方便等优点，但其面对系统干扰时控制性能会受到一定的影响，对于电机力矩波动、摩擦干扰力矩等扰动会严重影响系统输出波形失真，如位置输出产生削顶现象，速率输出过零处产生畸变等。传统的滑模控制虽然具有结构简单，响应快速，且具有一定鲁棒性等优点，但由于趋近律的存在，导致系统误差无法在有限时间内收敛，从而限制了在实际工程中的应用。
由此可见，上述现有的滑模控制方法在使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的滑模控制方法，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本公开实施例提供了一种基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，所述方法包括以下步骤：
建立包含系统参数不确定性和外部干扰的惯性测试设备系统数学模型；
基于bilimit构建有限时间收敛至零的终端滑模面以及终端滑模控制算法；
通过扩张状态观测器对所述惯性测试设备进行观测，得到所述惯性测试设备的外部集总扰动；
将所述外部集总扰动通过前馈补偿至所述终端滑模控制算法。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述数学模型包含电机驱动器。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述终端滑模控制算法为连续的控制量。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述得到所述惯性测试设备的外部集总扰动，包括以下步骤：
通过扩张状态观测器对所述惯性测试设备进行观测，得到所述惯性测试设备的速度和位置状态变量信息；
基于所述惯性测试设备的速度和位置状态变量信息，计算系统的外部集总扰动。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述外部集总扰动包括摩擦干扰力矩和电机力矩波动中的至少一项。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述建立包含系统参数不确定性和外部干扰的惯性测试设备系统数学模型，通过以下公式实现：
Figure SMS_1
其中，
Figure SMS_4
为时域下系统的角速度的二阶导数；
Figure SMS_7
表示驱动器输入电压；
Figure SMS_10
表示电机电枢电感；
Figure SMS_3
表示电机电枢电阻；
Figure SMS_6
表示电流反馈系数；
Figure SMS_9
表示惯性测试仪表的转动惯量；
Figure SMS_12
表示电机转速；
Figure SMS_2
表示转矩系数；
Figure SMS_5
表示电机反电势系数；
Figure SMS_8
表示驱动器静态等效放大倍数；
Figure SMS_11
为外部集总扰动；t为时间。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述基于bilimit构建有限时间收敛至零的终端滑模面，通过以下公式实现：
Figure SMS_13
其中，
Figure SMS_14
，
Figure SMS_15
为期望位置，
Figure SMS_16
为期望速度，
Figure SMS_17
均为常数且
Figure SMS_18
，
Figure SMS_19
；
Figure SMS_20
。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述终端滑模控制算法，通过以下公式实现：
Figure SMS_21
其中，
Figure SMS_22
为可调参数，
Figure SMS_23
为终端滑模控制器的控制律，
Figure SMS_24
为惯性测试设备的外部集总扰动，
Figure SMS_25
为等效控制项，
Figure SMS_26
为非线性控制项。
第二方面，本公开实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有能够被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的任一项所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
第三方面，本公开实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令当由至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器执行前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
第五方面，本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使该计算机执行前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
本公开实施例中的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，通过扩张状态观测器估计惯性测试设备系统的干扰和不确定性，并将其作为终端滑模控制器的前馈补偿部分，结合终端滑模控制器组成高精度惯性测试设备的复合控制方案，提升了测试设备系统收敛的快速性以及鲁棒性进而使得系统具有更高的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。
图1为本公开实施例提供的一种基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法流程示意图；
图2为本公开实施例提供的一种基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法计算流程示意图；
图3为本公开实施例提供的一种基于ESO的高精度惯性测试设备系统的终端滑模控制系统框图；其中，
Figure SMS_27
为参考输入；
Figure SMS_28
为外部集总扰动；
Figure SMS_29
为终端滑模器的控制量；
Figure SMS_30
为终端滑模控制器结合扩张状态观测器的最终控制量；
Figure SMS_31
为可调参数；
Figure SMS_32
为系统的位置输出；
图4为本公开实施例提供的一种含驱动器的高精度惯性测试设备等效框图；其中，
Figure SMS_35
为驱动器输入电压；
Figure SMS_38
为电机电枢电压的拉普拉斯变换；
Figure SMS_42
为比例积分控制器；
Figure SMS_36
为电流反馈系数；
Figure SMS_37
为电机反电势系数；
Figure SMS_41
为转矩系数；
Figure SMS_45
为电机反电动势的拉普拉斯变换；
Figure SMS_33
为电机电枢电流的拉普拉斯变换；
Figure SMS_39
为电机电枢电感；
Figure SMS_43
为电机电枢电阻；
Figure SMS_46
为电磁转矩的拉普拉斯变换；
Figure SMS_34
为干扰力矩的拉普拉斯变换；
Figure SMS_40
为转动惯量；
Figure SMS_44
为角速度的拉普拉斯变换；
图5为本公开实施例提供的一种简化后的高精度惯性测试设备数学模型示意图；其中，
Figure SMS_47
为角速度的拉普拉斯变换；
图6为本公开实施例提供的一种跟踪
Figure SMS_48
阶跃信号跟踪曲线示意图；其中，TSMC为终端滑模控制系统的输出曲线；PID为PID控制系统的输出曲线；
图7为本公开实施例提供的一种LuGre摩擦模型摩擦力矩干扰及其观测值的示意图；
图8为本公开实施例提供的三种控制方法跟踪幅值
Figure SMS_49
频率10Hz正弦信号跟踪曲线示意图；其中，sine wine为参考正弦信号；
图9为本公开实施例提供的一种跟踪幅值
Figure SMS_50
频率10Hz正弦信号局部放大示意图；
图10为本公开实施例提供的一种跟踪幅值
Figure SMS_51
频率10Hz正弦信号误差曲线示意图；以及
图11为本公开实施例提供的电子设备示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本发明提出的终端滑模控制方法能够解决传统滑模控制存在的抖振问题，能够在有限时间内收敛，同时该终端滑模控制器是连续的，具有更好的工程应用价值。与此同时，当系统模型失配或存在较大的扰动时，系统抖振也更加明显，导致控制精度降低，因此为了提高系统的抗干扰能力，本发明引入了扩张状态观测器对外部扰动（或称集总扰动，外部集总扰动、总扰动）进行观测并加以补偿，使得该种复合控制策略具有更高的跟踪精度，更好地实现快速跟踪控制，对外部干扰具有强鲁棒性。
本发明实施例提供了一种基于扩张状态观测器（ESO）的高精度惯性测试设备系统有限时间收敛的连续终端滑模控制方法，该方法基于bilimit的齐次性质，提出了一种新的全局终端滑模面，为使得系统状态能在有限时间内到达滑模面，进一步提出了一种新的连续终端滑模控制算法；基于扩张状态观测器估计系统的干扰性和不确定性，并将其作为终端滑模控制器的前馈补偿部分，结合终端滑模控制器组成高精度惯性测试设备的复合控制方案，提升了测试设备系统收敛的快速性以及鲁棒性进而使得系统具有更高的精度。
主要方法具体包括以下步骤：
步骤1：建立惯性测试设备包含外部干扰和不确定性的数学模型，由于终端滑模控制是依赖模型的控制方法，为使得模型尽可能精准，因此建模中需考虑包含电机驱动器（电流环）；
步骤2：根据bilimit的齐次性，构建有限时间到达的终端滑模面，设计滑模控制算法；
步骤3：设计扩张状态观测器，利用惯性测试设备系统中的速度和位置状态变量信息，估计出系统的外部集总扰动；
步骤4：结合步骤2和步骤3设计基于ESO的高精度惯性测试设备终端滑模的复合控制方案。
高精度惯性测试设备的外部扰动和参数不确定性都会影响控制系统精度。常规的滑模控制技术虽然能够在一定程度上减小由扰动、不确定性带来的不良影响，同时也会带来系统的抖振，而且只能达到渐近稳定，在惯性测试设备工程应用中渐近稳定是不可取的。
因此为解决有限时间收敛和干扰抑制问题使系统具有更高的控制精度、更良好的快速性，本发明设计了一种基于ESO的终端滑模控制方法，根据bilimit齐次性的思路设计了新型终端滑模面，保证了闭环系统有限时间稳定性，使得滑模运动到原点的收敛时间有一个时间上界，以满足系统的快速性。另外，本发明给出控制信号是连续的控制量，这也是在实际工程应用中必须保证的；利用扩张状态观测器观测系统的外部集总扰动，得到一个良好的估计值，利用其观测值进行前馈补偿至终端滑模控制器，提高系统的抗干扰性能。
图1为本公开实施例提供的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法流程的示意图。
图3为与图1对应的基于ESO的高精度惯性测试设备系统的终端滑模控制系统框图；
如图1所示，在步骤S110处，建立包含系统参数不确定性和外部干扰的惯性测试设备系统数学模型。
更具体地，根据图4所示的含驱动器的高精度惯性测试设备等效框图建立包含系统不确定性和外部扰动的高精度惯性测试设备系统数学模型：
Figure SMS_52
（1）
其中，
Figure SMS_54
为时域下系统的角速度的二阶导数；
Figure SMS_58
表示驱动器输入电压；
Figure SMS_61
表示电机电枢电感；
Figure SMS_55
表示电机电枢电阻（图4中未示出）；
Figure SMS_59
表示电流反馈系数；
Figure SMS_62
表示惯性测试仪表的转动惯量；
Figure SMS_64
表示电机转速；
Figure SMS_53
表示转矩系数；
Figure SMS_60
表示电机反电势系数；
Figure SMS_63
表示驱动器静态等效放大倍数；
Figure SMS_65
外部集总扰动，
Figure SMS_56
为时间。由于电流环控制器采用比例积分控制器控制（proportional integral controller，PI），其中积分作用较小，且为便于计算忽略电感
Figure SMS_57
的影响，因此可将图4化简得到图5所示。
则该系统的控制动态方程为：
Figure SMS_66
（2）
式中，
Figure SMS_67
。
由此可设变量
Figure SMS_68
，且有
Figure SMS_69
，即选取位置，速度为系统状态变量，分别用
Figure SMS_70
分别表示。将式（2）转换为状态空间模型，考虑到系统参数不确定性和外部扰动因素影响，其系统（2）的一般描述如下：
Figure SMS_71
（3）
其中，考虑到系统（2）得到：
Figure SMS_73
Figure SMS_76
；
Figure SMS_79
为输入系数，记
Figure SMS_74
，
Figure SMS_77
为待设计的滑模控制输入；
Figure SMS_80
表示系统外部扰动和不确定性，假设其满足以下条件：
Figure SMS_81
，其中
Figure SMS_72
是一个大于零的有界常数，则
Figure SMS_75
，
Figure SMS_78
也是一个大于零的有界常数成立。
在本发明实施例中，所述数学模型包含电机驱动器。
更具体地，接下来转到步骤S120。
在步骤S120处，基于bilimit构建有限时间收敛至零的终端滑模面以及终端滑模控制算法。
设计有限时间收敛终端滑模面，定义位置、速度的跟踪误差，则有
Figure SMS_82
，其中，
Figure SMS_83
分别表示期望位置，期望速度，
Figure SMS_84
为角速度；
Figure SMS_85
为角加速度。
为使表述方便，对于任何非负实数
Figure SMS_86
，映射
Figure SMS_87
被定义
Figure SMS_88
。
则针对式（3）所描述的系统设计的终端滑模面为：
Figure SMS_89
（4）
其中
Figure SMS_90
均为常数且
Figure SMS_91
，
Figure SMS_92
；
Figure SMS_93
。
对于式（3）的描述的系统，使得系统误差轨迹在有限时间内沿滑动面（4）收敛至零，终端滑模控制器设计如下：
Figure SMS_94
Figure SMS_95
（5）
Figure SMS_96
其中，
Figure SMS_97
表示参考速度，
Figure SMS_98
为可调常数，
Figure SMS_99
都为正常数。时间范围的上界与初始条件无关。
接下来转到步骤S130。
在步骤S130处，通过扩张状态观测器对所述惯性测试设备进行观测，得到所述惯性测试设备的外部集总扰动。
更具体地，设计扩张状态观测器，根据式（3）描述的系统模型，将系统的外部集总扰动
Figure SMS_100
扩充为一个新的状态变量
Figure SMS_101
即：
Figure SMS_102
（6）
即
Figure SMS_103
，那么可以得到一个扩张后的新的系统：
Figure SMS_104
（7）
又由于
Figure SMS_105
和参数为
Figure SMS_106
是已知的，所以对于扩张的新系统可以建立如下扩张状态观测器：
Figure SMS_107
（8）
式中，
Figure SMS_108
，观测器的输出
Figure SMS_109
即为所需要观测的外部集总扰动。
接下来转到步骤S140。
在步骤S140处，将所述外部集总扰动通过前馈补偿至所述终端滑模控制算法。
在本发明实施例中，所述得到所述惯性测试设备的外部集总扰动，包括以下步骤：
通过扩张状态观测器对所述惯性测试设备进行观测，得到所述惯性测试设备的速度和位置状态变量信息；
基于所述惯性测试设备的速度和位置状态变量信息，计算系统的外部集总扰动。
在本发明实施例中，所述外部集总扰动包括摩擦干扰力矩和电机力矩波动中的至少一项。
在本发明实施例中，还可以选择其他对系统影响较大的扰动因素作为外部集总扰动进行建模仿真。
更具体地，结合步骤S120和步骤S130，如图2所示将
Figure SMS_110
观测值通过前馈补偿的方式补偿至滑模控制器的输出。即结合ESO和有限时间收敛终端滑模控制器的复合控制策略，其控制输入表达式如下：
Figure SMS_111
（9）
其中，
Figure SMS_112
为可调参数，该因子决定观测值补偿到控制输入的大小，
Figure SMS_113
为终端滑模控制器的控制律。
下面，将通过对比实验结果对本发明提出的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法进行验证。
仿真验证例1：针对高精度惯性测试设备，对比终端滑模控制器和工程中常用的双闭环PID控制器下系统的输出。给定惯性测试设备的目标转速为
Figure SMS_114
，不存在参数不确定性和外部扰动时，比较两种控制方法的调速性能。仿真结果如图6所示，由图中可以看出本发明所设计的控制策略仅需约0.03秒即可达到目标转速，而双闭环PID控制方法则需要0.1秒才能达到目标转速；且本发明设计的控制算法其稳态误差也小于双闭环PID控制算法。因此由仿真1结果可以说明，本发明所设计的控制方法较于传统PID控制方法具有更好的快速性和更高的跟踪精度。
仿真验证例2：针对高精度惯性测试设备系统，为验证加入外部扰动的影响后，对比基于ESO的终端滑模控制系统、不带有ESO的终端滑模控制系统以及传统双闭环PID控制系统的抗干扰能力。对系统输入一个幅值
Figure SMS_115
频率10Hz的正弦信号，对LuGre摩擦模型建模后把该摩擦模型作为外部扰动加入高精度惯性测试设备模型对控制系统进行仿真分析。LuGre摩擦模型的数学模型如下：
Figure SMS_116
（10）
Figure SMS_117
（11）
Figure SMS_118
（12）
结合式（10）、（11）、（12）可以得到如下关系式：
Figure SMS_119
（13）
仿真中采用的LuGre模型参数为：
Figure SMS_121
，
Figure SMS_125
，
Figure SMS_129
，
Figure SMS_123
，
Figure SMS_127
，
Figure SMS_130
。其中，
Figure SMS_132
表示鬃毛刚度系数；
Figure SMS_120
为微观阻尼系数；
Figure SMS_124
为粘滞摩擦系数；
Figure SMS_128
为角速度；
Figure SMS_131
为Stribeck速度；
Figure SMS_122
为库伦摩擦力矩；
Figure SMS_126
为最大静摩擦力矩。
仿真2的结果如图7～10所示，图7为扩张状态观测器观测摩擦干扰力矩
Figure SMS_133
的值与LuGre模型摩擦力矩的对比，从中能看出，扩张状态观测器能够较好地估计出LuGre摩擦干扰力矩的值。图8中可以发现三种控制方法基本都能跟踪上输入的正弦信号，但将图8放大速率过零处即图9，可以发现双环PID控制方法和终端滑模控制方法由于加入了摩擦干扰力矩，这两种方法在速率过零处出现了明显的畸变，而基于ESO的终端滑模控制方法则未出现明显的畸变现象；同时根据图10三种控制方法速度误差曲线可以看出基于ESO的终端滑模控制系统的跟踪误差明显小于另外两种方法。因此由仿真2的结果可以说明本发明设计的基于ESO的终端滑模控制器具有更好的鲁棒性，抗干扰能力，跟踪精度更高。
由此可证，针对高精度惯性测试设备，本发明与传统双闭环PID控制算法相比控制器结构更加简单，控制精度更高，提高了系统的快速性；同时设计了扩张状态观测器对外部扰动进行估计，通过前馈补偿终端滑模控制器，使得系统具有较强鲁棒性和良好的抗干扰能力；在保证系统的控制精度同时，比较传统滑模控制方法削弱了抖振现象。
本发明提出的基于ESO的高精度惯性测试设备系统有限时间收敛的连续终端滑模控制方法，建立了包含系统参数不确定性和外部干扰的惯性测试设备系统数学模型；针对该系统提出了基于bilimit齐次性的全局终端滑模面，使得系统的滑模运动是有限时间稳定的，为了保证系统状态在有限时间内达到滑模面，提出了一种新的连续终端滑模控制算法，该控制器不仅保证了系统的鲁棒性，且具有连续性；由于惯性测试设备系统中存在摩擦干扰力矩和电机力矩波动等影响，设计了扩张状态观测器对系统外部集总扰动进行观测，将ESO观测到的外部集总扰动前馈补偿至滑模控制器。针对高精度惯性测试设备，该种方法有效地缓解了传统滑模控制算法的抖振，提升了系统的瞬态响应，同时增强了抗干扰性，有效地抑制了摩擦干扰等外部扰动，使系统具有较强的鲁棒性。
本发明的目的是为提高惯性测试设备控制系统的快速性、控制精度、抗干扰能力，解决由摩擦干扰力矩、电机力矩波动等外部扰动带来系统输出失真的影响，提供一种基于ESO的高精度惯性测试设备系统终端滑模控制方法。该控制器结构更加简单，通过设计有限时间收敛的终端滑模面和控制律，使得高精度惯性测试设备的跟踪误差能够在有限时间内收敛至零，提高了系统的快速性；且该控制器是连续的，能够更好地应用在实际系统中；使用了扩张状态观测器对外部扰动进行估计，实现了对系统外部扰动如摩擦干扰力矩、电机力矩波动的观测，大大增强了系统的鲁棒性和抗干扰能力，有效地缓解了传统滑模控制方法的抖振现象。
参见图11，本公开实施例还提供了一种电子设备110，该电子设备包括：
至少一个处理器；以及，
与该至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
该存储器存储有可被该至少一个处理器执行的指令，该指令被该至少一个处理器执行，以使该至少一个处理器能够执行前述方法实施例中的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
本公开实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行前述方法实施例中的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算程序，该计算机程序包括程序指令，当该程序指令被计算机执行时，使该计算机执行前述方法实施例中的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
下面参考图11，其示出了适于用来实现本公开实施例的电子设备110的结构示意图。本公开实施例中的电子设备可以包括但不限于诸如移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA（个人数字助理）、PAD（平板电脑）、PMP（便携式多媒体播放器）、车载终端（例如车载导航终端）等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。图11示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图11所示，电子设备110可以包括处理装置（例如中央处理器、图形处理器等）1101，其可以根据存储在只读存储器（ROM）1102中的程序或者从存储装置1108加载到随机访问存储器（RAM）1103中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 1103中，还存储有电子设备110操作所需的各种程序和数据。处理装置1101、ROM 1102以及RAM 1103通过总线1104彼此相连。输入/输出（I/O）接口1105也连接至总线1104。
通常，以下装置可以连接至I/O接口1105：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、图像传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置1106；包括例如液晶显示器（LCD）、扬声器、振动器等的输出装置1107；包括例如磁带、硬盘等的存储装置1108；以及通信装置1109。通信装置1109可以允许电子设备110与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图中示出了具有各种装置的电子设备110，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置1109从网络上被下载和安装，或者从存储装置1108被安装，或者从ROM 1102被安装。在该计算机程序被处理装置1101执行时，执行本公开实施例的方法中限定的上述功能。
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF（射频）等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。
上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：获取至少两个网际协议地址；向节点评价设备发送包括所述至少两个网际协议地址的节点评价请求，其中，所述节点评价设备从所述至少两个网际协议地址中，选取网际协议地址并返回；接收所述节点评价设备返回的网际协议地址；其中，所获取的网际协议地址指示内容分发网络中的边缘节点。
或者，上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：接收包括至少两个网际协议地址的节点评价请求；从所述至少两个网际协议地址中，选取网际协议地址；返回选取出的网际协议地址；其中，接收到的网际协议地址指示内容分发网络中的边缘节点。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网（LAN）或广域网（WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。其中，单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定，例如，第一获取单元还可以被描述为“获取至少两个网际协议地址的单元”。
应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
建立包含系统参数不确定性和外部干扰的惯性测试设备系统数学模型；
基于bilimit构建有限时间收敛至零的终端滑模面以及终端滑模控制算法；
通过扩张状态观测器对所述惯性测试设备进行观测，得到所述惯性测试设备的外部集总扰动；
将所述外部集总扰动通过前馈补偿至所述终端滑模控制算法。
2.根据权利要求1所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述数学模型包含电机驱动器。
3.根据权利要求1所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述终端滑模控制算法为连续的控制量。
4.根据权利要求1所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述得到所述惯性测试设备的外部集总扰动，包括以下步骤：
通过扩张状态观测器对所述惯性测试设备进行观测，得到所述惯性测试设备的速度和位置状态变量信息；
基于所述惯性测试设备的速度和位置状态变量信息，计算系统的外部集总扰动。
5.根据权利要求4所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述外部集总扰动包括摩擦干扰力矩和电机力矩波动中的至少一项。
6.根据权利要求1所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述建立包含系统参数不确定性和外部干扰的惯性测试设备系统数学模型，通过以下公式实现：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_4
为时域下系统的角速度的二阶导数；
Figure QLYQS_6
表示驱动器输入电压；
Figure QLYQS_9
表示电机电枢电感；
Figure QLYQS_5
表示电机电枢电阻；
Figure QLYQS_8
表示电流反馈系数；
Figure QLYQS_11
表示惯性测试仪表的转动惯量；
Figure QLYQS_13
表示电机转速；
Figure QLYQS_2
表示转矩系数；
Figure QLYQS_7
表示电机反电势系数；
Figure QLYQS_10
表示驱动器静态等效放大倍数；
Figure QLYQS_12
为外部集总扰动；
Figure QLYQS_3
为时间。
7.根据权利要求1所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述基于bilimit构建有限时间收敛至零的终端滑模面，通过以下公式实现：
Figure QLYQS_14
其中，
Figure QLYQS_17
，
Figure QLYQS_18
，
Figure QLYQS_20
为期望位置，
Figure QLYQS_16
为期望速度，
Figure QLYQS_19
均为常数且
Figure QLYQS_21
，
Figure QLYQS_22
；
Figure QLYQS_15
。
8.根据权利要求1所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法，其特征在于，所述终端滑模控制算法，通过以下公式实现：
Figure QLYQS_23
其中，
Figure QLYQS_24
为可调参数，
Figure QLYQS_25
为终端滑模控制器的控制律，
Figure QLYQS_26
为惯性测试设备的外部集总扰动
Figure QLYQS_27
，为等效控制项，
Figure QLYQS_28
为非线性控制项。
9.一种电子设备，其特征在于，该电子设备包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有能够被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行如权利要求1至8中的任一项所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令当由至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器执行如权利要求1至8中的任一项所述的基于ESO的惯性测试设备终端滑模控制方法。
CN202310223582.9A 2023-03-09 2023-03-09 基于eso的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质 Active CN115933416B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310223582.9A CN115933416B (zh) 2023-03-09 2023-03-09 基于eso的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310223582.9A CN115933416B (zh) 2023-03-09 2023-03-09 基于eso的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115933416A true CN115933416A (zh) 2023-04-07
CN115933416B CN115933416B (zh) 2023-06-09

Family

ID=85834012

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310223582.9A Active CN115933416B (zh) 2023-03-09 2023-03-09 基于eso的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115933416B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104238572A (zh) * 2014-07-23 2014-12-24 南京理工大学 基于扰动补偿的电机伺服系统无抖动滑模位置控制方法
US9694918B1 (en) * 2016-05-26 2017-07-04 Beihang University Method for disturbance compensation based on sliding mode disturbance observer for spacecraft with large flexible appendage
CN114047773A (zh) * 2021-11-26 2022-02-15 江西理工大学 一种基于扩张状态观测器的水下集矿机器人反步滑模自适应姿态控制方法
CN114567219A (zh) * 2022-03-11 2022-05-31 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种永磁同步电机速度控制方法及装置
CN114879511A (zh) * 2022-06-06 2022-08-09 北京航空航天大学 一种基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的三轴惯性稳定平台高精度控制方法
CN115250085A (zh) * 2022-01-17 2022-10-28 浙江理工大学 互补终端滑模速度控制方法、系统、设备及存储介质

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104238572A (zh) * 2014-07-23 2014-12-24 南京理工大学 基于扰动补偿的电机伺服系统无抖动滑模位置控制方法
US9694918B1 (en) * 2016-05-26 2017-07-04 Beihang University Method for disturbance compensation based on sliding mode disturbance observer for spacecraft with large flexible appendage
CN114047773A (zh) * 2021-11-26 2022-02-15 江西理工大学 一种基于扩张状态观测器的水下集矿机器人反步滑模自适应姿态控制方法
CN115250085A (zh) * 2022-01-17 2022-10-28 浙江理工大学 互补终端滑模速度控制方法、系统、设备及存储介质
CN114567219A (zh) * 2022-03-11 2022-05-31 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种永磁同步电机速度控制方法及装置
CN114879511A (zh) * 2022-06-06 2022-08-09 北京航空航天大学 一种基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的三轴惯性稳定平台高精度控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
朱海荣;吴瑜;张先进;李奇;: "基于摩擦补偿和自抗扰的惯导测试转台复合控制", 航空兵器, no. 04 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115933416B (zh) 2023-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Tracking error-based servohydraulic actuator adaptive compensation for real-time hybrid simulation
Phillips et al. Model-based multiactuator control for real-time hybrid simulation
US10103666B1 (en) Synchronous generator modeling and frequency control using unscented Kalman filter
CN117040341B (zh) 一种永磁同步电机的扰动估计方法、控制方法及相关装置
Tang et al. New unconditionally stable explicit integration algorithm for real-time hybrid testing
Ai et al. An adaptive cracking particle method for 2D crack propagation
Hayati et al. Design and performance evaluation of an optimal discrete-time feedforward controller for servo-hydraulic compensation
CN116678403A (zh) 惯性测量装置的温度补偿方法、装置、设备及存储介质
Hui et al. Parameter and aerodynamic force identification of single-degree-of-freedom system in wind tunnel test
Zaal et al. Estimation of time-varying pilot model parameters
Zhou et al. A High‐Precision Control Scheme Based on Active Disturbance Rejection Control for a Three‐Axis Inertially Stabilized Platform for Aerial Remote Sensing Applications
Li et al. Modeling of a high speed rotor test rig with active magnetic bearings
Saathoff Effectively parameterizing dissipative particle dynamics using COSMO-SAC: A partition coefficient study
CN115933416B (zh) 基于eso的惯性测试设备终端滑模控制方法、设备及介质
Hernandez et al. State estimation in structural systems with model uncertainties
Wen et al. Galloping mechanism of a closely tuned 3-DOF system considering aerodynamic stiffness
Merrikh-Bayat Efficient method for time-domain simulation of the linear feedback systems containing fractional order controllers
Omenzetter Sensitivity analysis of the eigenvalue problem for general dynamic systems with application to bridge deck flutter
Savelsberg et al. Virtual shaft: robust coupling by bidirectional and distributed prediction of coupling values
Odabaş et al. Adaptive friction compensations for mechanical systems with measurement delay
CN111049444B (zh) 电机控制方法、装置及电子设备
Eielsen et al. Improving robustness filter bandwidth in repetitive control by considering model mismatch
Oliveira et al. Design of anti-windup compensators for a class of nonlinear control systems with actuator saturation
Chen et al. Active vibration control for GyroWheel based on sliding mode observer and adaptive feedforward compensator
Nayek et al. Girsanov Transformation–Based Reliability Modeling and Testing of Actively Controlled Structures

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