CN116841194A - 通用型udob、uimc及用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的uimc - Google Patents

通用型udob、uimc及用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的uimc Download PDF

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刘鹏
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Abstract

本发明涉及一种通用型UDOB、UIMC及用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC，主要解决现有二自由度控制器由于依赖模型信息而难以推广的技术问题。该通用型UDOB包括标称控模型Gn(s)、扰动补偿控制器G2(s)和第一减法器；所述标称控模型Gn(s)的输入端用于接外部的控制输入信号u，其输出端与第一减法器的输入端连接；所述第一减法器的另一输入端用于接外部的输出信号y；第一减法器的输出端接扰动补偿控制器G2(s)的输入端；所述扰动补偿控制器G2(s)输出端输出的总扰动估计信号作为扰动观测器UDOB的输出信号。

Description

通用型UDOB、UIMC及用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的 UIMC
技术领域
本发明涉及一种扰动观测器和内模控制器，具体涉及一种通用型扰动观测器UDOB、内模控制器UIMC及用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC。
背景技术
在工业控制中，经典的比例、积分、微分控制(PID控制)仍然占据百分之八十以上的份额，这是由于PID简单的结构和不依赖模型信息的特性。然而，在实际工程中控制系统普遍存在模型不确定性和外界干扰，PID这样的单自由度控制系统很难同时在跟踪和扰动抑制方面同时取得较好的控制性能，通常在设计中只能进行折中设计。
二自由度控制器由于可以对跟踪和扰动抑制进行解耦而受到广泛关注，但是内模控制(IMC)和扰动观测器控制(DOBC)等二自由度控制器由于依赖模型信息而难以推广。在被控对象模型已知的条件下，IMC是一种几乎理想的控制器。因此，在现有IMC控制器的结构上，开发出一种不依赖精确模型的内模控制器具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有二自由度控制器由于依赖模型信息而难以推广的技术问题，而提供一种通用型UDOB、UIMC及用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种通用型UDOB，其特殊之处在于：
包括标称控模型Gn(s)、扰动补偿控制器G2(s)和第一减法器；
所述标称控模型Gn(s)的输入端用于接外部的控制输入信号u，其输出端与第一减法器的输入端连接；
所述第一减法器的另一输入端用于接外部的输出信号y；第一减法器的输出端接扰动补偿控制器G2(s)的输入端；
所述扰动补偿控制器G2(s)输出端输出的总扰动估计信号作为扰动观测器UDOB的输出信号。
进一步地，所述标称控模型Gn(s)的动力学模型为：
式中：b0为标称控制增益；s为拉普拉斯算子；ωc为标称模型带宽；n为常数；
所述扰动补偿控制器G2(s)的动力学模型为：
式中：ωo为扰动补偿带宽，且ωo＞0。
本发明还提供了一种通用型UDOB，包括低通滤波器Q(s)、扰动补偿控制器Q(s)和第一减法器；
所述低通滤波器Q(s)的输入端用于接外部的控制输入信号u，其输出端与第一减法器的一个输入端连接；
所述扰动补偿控制器Q(s)的输入端用于接外部的输出信号y，输出端与第一减法器的另一输入端连接；所述第一减法器输出端输出的总扰动估计信号/>作为扰动观测器UDOB的输出信号。
进一步地，所述低通滤波器Q(s)的动力学模型为：
所述扰动补偿控制器Q(s)的动力学模型为：
本发明还提供了一种通用型UIMC，包括前馈控制器G1(s)、第二减法器、加法器和被控对象模型G(s)，以及所述的一种扰动观测器UDOB；
所述前馈控制器G1(s)的输入端用于接外部的参考输入r；
所述第二减法器的一个输入端接前馈控制器G1(s)的输出信号u0，另一个输入端用于接扰动观测器UDOB输出的总扰动估计信号输出端输出的控制输入信号u接入扰动观测器UDOB中的标称控模型Gn(s)；
所述加法器的一个输入端用于接外部扰动信号d；
所述被控对象模型G(s)的输入端接加法器的输出信号，其输出信号y接入扰动观测器UDOB中的第一加法器或扰动补偿控制器Q(s)并作为通用型内模控制器UIMC的输出。
进一步地，所述前馈控制器G1(s)的动力学模型为：
本发明还提供了一种通用型UIMC，包括前馈控制器G1(s)、第二减法器、加法器和被控对象模型G(s)，以及所述的扰动观测器UDOB；
所述前馈控制器G1(s)的输入端用于接外部的参考输入r；
所述第二减法器的一个输入端接前馈控制器G1(s)的输出信号u0，另一个输入端用于接扰动观测器UDOB输出的总扰动估计信号输出端输出的控制输入信号u接入扰动观测器UDOB中的低通滤波器Q(s)；
所述加法器的一个输入端用于接外部扰动信号d，另一个输入端接第二减法器输出端输出的控制输入信号u；
所述被控对象模型G(s)的输入端接加法器的输出信号，其输出信号y接入扰动观测器UDOB中的扰动补偿控制器Q(s)并作为通用型内模控制器UIMC的输出。
进一步，所述前馈控制器G1(s)的动力学模型为：
本发明还提供了一种用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC，该双惯量弹簧阻尼系统的速度控制对象传递函数为：式中：ωM为电机转速，TE为电机输出力矩，JM和JL分别为电机转动惯量和负载转动惯量，BS为粘滞阻尼系数，KS为弹簧刚度，JP＝JMJL/(JM+JL)；采用所述的通用型UIMC。
进一步地，所述标称控模型Gn(s)的动力学模型为：
所述前馈控制器G1(s)的动力学模型为：
所述扰动补偿控制器G2(s)的动力学模型为：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明设计的扰动观测器UDOB，与现有扰动观测器相比，不依赖任何被控对象的模型信息，且具有更强的扰动补偿能力。
2、本发明设计的通用性内模观测器UIMC，相比于现有的PID控制器的控制性能更佳，比经典IMC等依赖模型的控制器鲁棒性更强，算法简单、通用性强、参数意义明确且易整定。
附图说明
图1是本发明一种通用型UIMC实施例一的结构示意图；
图2是本发明一种通用型UIMC实施例二的结构示意图；
图3是本发明一种用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC的开环控制伯德图；
图4是本发明一种用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC的闭环控制伯德图；
图5是本发明一种用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC的扰动抑制性能图。
图中：1-第一减法器，2-第二减法器，3-加法器。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种通用型UDOB、UIMC及用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
步骤1、根据被控对象的物理模型确定控制系统的相对阶(被控对象传递函数分母最高阶项的阶数与分子最高阶项的阶数之差)及标称控制增益(被控对象传递函数分子最高阶项的系数与分母最高阶项的系数之商)，对于一个相对阶为n的系统，其传递函数可描述为：
式中：为标称控制增益；s为拉普拉斯算子；n为常数；ai,i＝0,1,...,n+l和ci,i＝0,1,...,l均为常数。
步骤2、设计标称控模型如下：
式中标称模型带宽ωc>0为待设计常数。
步骤3：根据式(2)可设计前馈控制器：
式中将Qr设计为这个形式得到的前馈控制器最简单。
步骤4：根据式(2)，可设计扰动补偿控制器：
其中为低通滤波器，扰动补偿带宽ωo>0待设计为常数。
实施例一
本实施例的一种通用型扰动观测器UDOB，如图1所示，包括标称控模型Gn(s)、扰动补偿控制器G2(s)和第一减法器1；标称控模型Gn(s)的输入端用于接外部的控制输入信号u，其输出端与第一减法器1的输入端连接；第一减法器1的另一输入端用于接外部的输出信号y；第一减法器的1输出端接扰动补偿控制器G2(s)的输入端；扰动补偿控制器G2(s)输出端输出的总扰动估计信号作为扰动观测器UDOB的输出信号。
本实施例一种通用型内模控制器UIMC，包括前馈控制器G1(s)、第二减法器2、加法器和被控对象模型G(s)，以及前述的一种通用型扰动观测器UDOB。
前馈控制器G1(s)的输入端用于接外部的参考输入r；第二减法器2的一个输入端用于接扰动观测器UDOB输出的总扰动估计信号另一个输入端接前馈控制器G1(s)的输出信号u0，其输出端输出的控制输入信号u接入扰动观测器UDOB中的标称控模型Gn(s)；加法器3的一个输入端用于接外部扰动信号d，另一个输入端接第二减法器(2)输出端输出的控制输入信号u；被控对象模型G(s)的输入端接加法器(3)的输出信号，其输出信号y接入扰动观测器UDOB中的第一加法器，并作为通用型内模控制器UIMC的输出。
实施例二
本实施例一种通用型扰动观测器UDOB，如图2所示，包括低通滤波器Q(s)、扰动补偿控制器Q(s)和第一减法器1；低通滤波器Q(s)的输入端用于接外部的控制输入信号u，其输出端与第一减法器1的一个输入端连接；扰动补偿控制器Q(s)/>的输入端用于接外部的输出信号y，输出端与第一减法器1的另一输入端连接；第一减法器1输出端输出的总扰动估计信号/>作为扰动观测器UDOB的输出信号。
本实施例一种通用型内模控制器UIMC，包括前馈控制器G1(s)、第二减法器2、加法器3和被控对象模型G(s)，以及前述的一种通用型扰动观测器UDOB。
前馈控制器G1(s)的输入端用于接外部的参考输入r；第二减法器2的一个输入端用于接扰动观测器UDOB输出的总扰动估计信号另一个输入端接前馈控制器G1(s)的输出信号u0，其输出端输出的控制输入信号u接入扰动观测器UDOB中的低通滤波器Q(s)；加法器3的一个输入端用于接外部扰动信号d，另一个输入端接第二减法器(2)输出端输出的控制输入信号u；被控对象模型G(s)的输入端接加法器(3)的输出信号，其输出信号y接入扰动观测器UDOB中的扰动补偿控制器Q(s)/>并作为通用型内模控制器UIMC的输出。
本发明一种用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC，该双惯量弹簧阻尼系统的速度控制对象传递函数为：前述实施例一描述的一种通用型扰动观测器UDOB，其特征在于：
标称控模型Gn(s)的动力学模型为：
前馈控制器G1(s)的动力学模型为：
扰动补偿控制器G2(s)的动力学模型为：
式中：ωM为电机转速，TE为电机输出力矩，JM＝3.01×10-3kg·m2和JL＝1.91×10- 3kg·m2分别为电机转动惯量和负载转动惯量，BS＝0.006N·m·s/rad为粘滞阻尼系数，KS＝2.71N·m/rad为弹簧刚度，JP＝JMJL/(JM+JL)。
控制器参数选择为ωc＝100rad/s，ωo＝400rad/s，仿真实验结果如附图3。众所周知，双惯量弹簧阻尼系统控制的最大难点在于谐振的抑制，由图3可知系统在48rad/s处有显著的谐振峰；如图4所示，通过UIMC构成闭环后，系统谐振和反谐振几乎被完全消除，证明了UIMC具有优越的控制性能。图5展示了UIMC在加入扰动力矩d＝sin(20t)N后的速度波动情况，可以看出除开始加入扰动引起的尖峰外，速度波动小于0.01rad/s，因此UIMC具有强大的扰动抑制能力。

Claims (10)

1.一种通用型UDOB，其特征在于：
包括标称控模型Gn(s)、扰动补偿控制器G2(s)和第一减法器(1)；
所述标称控模型Gn(s)的输入端用于接外部的控制输入信号u，其输出端与第一减法器(1)的输入端连接；
所述第一减法器(1)的另一输入端用于接外部的输出信号y，输出端接扰动补偿控制器G2(s)的输入端；
所述扰动补偿控制器G2(s)输出端输出的总扰动估计信号作为扰动观测器UDOB的输出信号。
2.根据权利要求1所述的通用型UDOB，其特征在于：
所述标称控模型Gn(s)的动力学模型为：
式中：b0为标称控制增益；s为拉普拉斯算子；ωc为标称模型带宽，且ωc>0；n为常数；
所述扰动补偿控制器G2(s)的动力学模型为：
式中：ωo为扰动补偿带宽，且ωo＞0。
3.一种通用型UDOB，其特征在于：
包括低通滤波器Q(s)、扰动补偿控制器Q(s)和第一减法器(1)；
所述低通滤波器Q(s)的输入端用于接外部的控制输入信号u，其输出端与第一减法器(1)的一个输入端连接；
所述扰动补偿控制器Q(s)的输入端用于接外部的输出信号y，输出端与第一减法器(1)的另一输入端连接；所述第一减法器(1)输出端输出的总扰动估计信号/>作为扰动观测器UDOB的输出信号。
4.根据权利要求3所述的通用型UDOB，其特征在于，所述低通滤波器Q(s)的动力学模型为：
所述扰动补偿控制器Q(s)的动力学模型为：
5.一种通用型UIMC，其特征在于：
包括前馈控制器G1(s)、第二减法器(2)、加法器(3)和被控对象模型G(s)，以及权利要求1或2所述的扰动观测器UDOB；
所述前馈控制器G1(s)的输入端用于接外部的参考输入r；
所述第二减法器(2)的一个输入端接前馈控制器G1(s)的输出信号u0，另一个输入端用于接扰动观测器UDOB输出的总扰动估计信号输出端输出的控制输入信号u接入扰动观测器UDOB中的标称控模型Gn(s)；
所述加法器(3)的一个输入端用于接外部扰动信号d，另一个输入端接第二减法器(2)输出端输出的控制输入信号u；
所述被控对象模型G(s)的输入端接加法器(3)的输出信号，其输出信号y接入扰动观测器UDOB中的第一减法器(1)，并作为通用型内模控制器UIMC的输出。
6.根据权利要求5所述的通用型UIMC，其特征在于，所述前馈控制器G1(s)的动力学模型为：
7.一种通用型UIMC，其特征在于：
包括前馈控制器G1(s)、第二减法器(2)、加法器(3)和被控对象模型G(s)，以及权利要求3或4所述的扰动观测器UDOB；
所述前馈控制器G1(s)的输入端用于接外部的参考输入r；
所述第二减法器(2)的一个输入端接前馈控制器G1(s)的输出信号u0，另一个输入端用于接扰动观测器UDOB输出的总扰动估计信号输出端输出的控制输入信号u接入扰动观测器UDOB中的低通滤波器Q(s)；
所述加法器(3)的一个输入端用于接外部扰动信号d，另一个输入端接第二减法器(2)输出端输出的控制输入信号u；
所述被控对象模型G(s)的输入端接加法器(3)的输出信号，其输出信号y接入扰动观测器UDOB中的扰动补偿控制器Q(s)并作为通用型内模控制器UIMC的输出。
8.根据权利要求7所述的通用型UIMC，其特征在于，所述前馈控制器G1(s)的动力学模型为：
9.一种用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC，该双惯量弹簧阻尼系统的速度控制对象传递函数为：式中：ωM为电机转速，TE为电机输出力矩，JM和JL分别为电机转动惯量和负载转动惯量，BS为粘滞阻尼系数，KS为弹簧刚度，JP＝JMJL/(JM+JL)；其特征在于：
采用权利要求5-8任一所述的通用型UIMC。
10.根据权利要求9所述的用于双惯量弹簧阻尼系统速度控制的UIMC，其特征在于：采用权利要求5或6所述的通用型UIMC；
所述标称控模型Gn(s)的动力学模型为：
所述前馈控制器G1(s)的动力学模型为：
所述扰动补偿控制器G2(s)的动力学模型为：
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