一種改進(jìn)的自抗擾控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高精度的跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改進(jìn)的自抗擾控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度、快響應(yīng)一直以來都是跟蹤控制系統(tǒng)所追求的目標(biāo)。系統(tǒng)的響應(yīng)速度主要 取決于系統(tǒng)的帶寬，但這是由系統(tǒng)本身的物理特性決定的。而如何在有限的帶寬，抑制系統(tǒng) 本身的缺陷，提高系統(tǒng)的帶寬，這一直都是工程師們想努力解決的。跟蹤控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決 定了系統(tǒng)必然存在的一些非線性特性，如死區(qū)，摩擦力，飽和以及一些模型的不確定性等。 所有的這些特性無疑都將會(huì)惡化系統(tǒng)的跟蹤精度，若設(shè)計(jì)得不好，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn) 定。針對(duì)這些具體的問題，已經(jīng)提出了一些具體的控制方法，如自適應(yīng)控制，滑模控制，基于 擾動(dòng)觀測(cè)器的補(bǔ)償控制和自抗擾控制等。
[0003] 為了降低非線性擾動(dòng)給系統(tǒng)帶來的影響，基于擾動(dòng)觀測(cè)器的控制方法得到了廣泛 的應(yīng)用。這種方法主要是利用系統(tǒng)的輸入、輸出以及部分系統(tǒng)的特性來估計(jì)出所施加在系 統(tǒng)的擾動(dòng)，從而將擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)?。但通常來說，在很多場(chǎng)合系統(tǒng)的模型和特性都是未知的，這 無疑增加了擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)難度，限制了觀測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，由于系統(tǒng)具有一些不 確定性，而為了能夠提高系統(tǒng)的控制精度，一些研宄者提出了，自適應(yīng)控制，自適應(yīng)魯棒控 制，自適應(yīng)前饋控制，自適應(yīng)滑?？刂坪妥赃m應(yīng)逆控制等。這些控制方法主要是利用了自適 應(yīng)控制能夠隨著系統(tǒng)的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)良特性，再結(jié)合其他一些經(jīng)典的控制以期達(dá)到 一個(gè)良好的效果。這些方法在一定程度上也都確實(shí)取得了很多良好的效果。
[0004] 除此之外，在近年來，自抗擾控制由于其不需要關(guān)注系統(tǒng)的模型及擾動(dòng)的特性而 受到設(shè)計(jì)者更為廣泛的關(guān)注，自抗擾控制是由韓京清針對(duì)系統(tǒng)模型不確定性，且受到一些 未知擾動(dòng)而提出一種新的控制方法。這種控制方法由于其特殊的方法已經(jīng)在很多領(lǐng)域受到 了廣泛的關(guān)注，包括導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，醫(yī)療系統(tǒng)，火控系統(tǒng)等。并取得了很多完美的控制效果。 在這逐漸發(fā)展起來的一二十年中，分析針對(duì)該方法的參數(shù)整定，頻域特性分析，穩(wěn)定性分析 和魯棒性分析等都涌現(xiàn)了大量的分析，可見，該控制方法無論是在實(shí)際應(yīng)用中還是理論分 析都逐漸趨向于一個(gè)成熟的控制算法。
[0005] 然而，就目前的自抗擾控制技術(shù)來說，主要可分為線性自抗擾和非線性自抗擾兩 大類，線性自抗擾是為了解決非線性自抗擾控制中參數(shù)過多，難以調(diào)試的難題。從而極大了 推廣了自抗擾控制技術(shù)的應(yīng)用。但事實(shí)上非線性自抗擾中的非線性函數(shù)是為了提升控制器 的控制性能的，因而改為線性自抗擾控制結(jié)構(gòu)，控制器的性能必然會(huì)有所降低。本發(fā)明就是 在結(jié)合兩種控制方法的基礎(chǔ)上，保留各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并將擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)為一個(gè)不基 于模型的擾動(dòng)觀測(cè)器，目的是為了降低控制器中的觀測(cè)誤差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 針對(duì)非線性自抗擾控制參數(shù)多難于調(diào)試，線性自抗擾控制參數(shù)易于調(diào)試，但性能 并不是最優(yōu)的問題，本發(fā)明結(jié)合兩種控制方法的優(yōu)勢(shì)，提出了一種改進(jìn)的自抗擾控制方法。 利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)擾動(dòng)估計(jì)的思想，將自抗擾控制器的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)成為了一 個(gè)非線性的擾動(dòng)觀測(cè)器，該觀測(cè)器不基于系統(tǒng)的模型，且降低了自抗擾中擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 的估計(jì)誤差。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：采用非線性自抗擾控制與線性自抗擾控制相結(jié)合的方 法，將自抗擾控制中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)為一種非線性的擾動(dòng)觀測(cè)器，提出一種改進(jìn)的 自抗擾控制方法。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0008] 步驟（1):控制器輸入?yún)⒖夹盘?hào)的處理，對(duì)于輸入的參考信號(hào)，將其微分信號(hào)作為 系統(tǒng)的前饋信號(hào)加入系統(tǒng)；
[0009] 步驟⑵：對(duì)于系統(tǒng)反饋回來的信號(hào)，有兩種處理方式：1.若在系統(tǒng)中裝有位置傳 感器和速度傳感器，可以同時(shí)將傳感器采回的位置信號(hào)和速度信號(hào)作為系統(tǒng)反饋量；2.若 在系統(tǒng)中僅有位置傳感器，可以利用位置信號(hào)的微分得到速度信號(hào)，與位置信號(hào)作為系統(tǒng) 反饋量；
[0010] 步驟（3):自抗擾中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器利用線性自抗擾控 制的設(shè)計(jì)方法，但在該擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中引用一個(gè)非線性函數(shù)，以此提升擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 的觀測(cè)性能；
[0011] 步驟⑷：控制率的設(shè)計(jì)，控制率同時(shí)結(jié)合了線性自抗擾和非線性自抗擾的設(shè)計(jì) 方法，設(shè)計(jì)為一種比例微分控制器；
[0012] 步驟（5):將擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)出的系統(tǒng)擾動(dòng)加入控制器，以此來提前補(bǔ)償系 統(tǒng)受到的非線性擾動(dòng)等，提高系統(tǒng)控制精度。
[0013] 進(jìn)一步的，步驟（1)中對(duì)于輸入?yún)⒖夹盘?hào)的微分處理，同樣可以通過預(yù)測(cè)控制方 法、卡爾曼濾波控制的方法來處理。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟（2)中微分信號(hào)的處理同樣可以一些不同的濾波方法處理。
[0015] 進(jìn)一步的，步驟（3)中擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中的非線性函數(shù)可以有多種不同的形式。
[0016] 進(jìn)一步的，步驟（4)中控制率的設(shè)計(jì)除了比例微分控制方法，還可以采用其他不 同的控制方法，如比例-積分-微分控制，比例控制，自適應(yīng)控制。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] (1)同非線性自抗擾控制技術(shù)相比，該發(fā)明方法調(diào)試簡(jiǎn)單，所需要調(diào)整的參數(shù)大大 降低，降低了非線性自抗擾控制方法的調(diào)試難度，更便于工程化應(yīng)用；
[0019] (2)相對(duì)線性自抗擾控制技術(shù)，該發(fā)明保留了擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中的非線性函數(shù)，提 高了線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)性能；
[0020] (3)相對(duì)目前的自抗擾控制技術(shù)來說，它降低了自抗擾控制中的控制誤差，無論是 控制量誤差還是觀測(cè)器的觀測(cè)誤差都有了一定的減小。
【附圖說明】
[0021] 圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；其中，1為電機(jī)，2為負(fù)載，3為測(cè)速機(jī)，4為編碼器；
[0022] 圖2為改進(jìn)的自抗擾控制結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖3為定點(diǎn)位置跟蹤結(jié)果；
[0024] 圖4為正弦信號(hào)跟蹤結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0026] 設(shè)系統(tǒng)的控制對(duì)象可以描述為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改進(jìn)的自抗擾控制方法，其特征在于：其具體步驟如下： 步驟（1):控制器輸入?yún)⒖夹盘?hào)的處理，對(duì)于輸入的參考信號(hào)，將其微分信號(hào)作為系統(tǒng) 的前饋信號(hào)加入系統(tǒng)； 步驟（2):對(duì)于系統(tǒng)反饋回來的信號(hào)，有兩種處理方式：1.若在系統(tǒng)中裝有位置傳感器 和速度傳感器，可以同時(shí)將傳感器采回的位置信號(hào)和速度信號(hào)作為系統(tǒng)反饋量；2.若在系 統(tǒng)中僅有位置傳感器，可以利用位置信號(hào)的微分得到速度信號(hào)，與位置信號(hào)作為系統(tǒng)反饋 量； 步驟（3):自抗擾中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)：擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器利用線性自抗擾控制的 設(shè)計(jì)方法，但在該擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中引用一個(gè)非線性函數(shù)，以此提升擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀 測(cè)性能； 步驟（4):控制率的設(shè)計(jì)：控制率同時(shí)結(jié)合了線性自抗擾和非線性自抗擾的設(shè)計(jì)方法， 設(shè)計(jì)為一種比例微分控制器； 步驟（5):將擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)出的系統(tǒng)擾動(dòng)加入控制器，以此來提前補(bǔ)償系統(tǒng)受 到的非線性擾動(dòng)等，提高系統(tǒng)控制精度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的自抗擾控制方法，其特征在于步驟（1)中對(duì)于輸 入?yún)⒖夹盘?hào)的微分處理，同樣可以通過預(yù)測(cè)控制方法、卡爾曼濾波控制的方法來處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的自抗擾控制方法，其特征在于步驟（2)中微分信 號(hào)的處理同樣可以一些不同的濾波方法處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的自抗擾控制方法，其特征在于步驟（3)中擴(kuò)張狀 態(tài)觀測(cè)器中的非線性函數(shù)可以有多種不同的形式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的自抗擾控制方法，其特征在于步驟（4)中控制率 的設(shè)計(jì)除了比例微分控制方法，還可以采用其他不同的控制方法，如比例-積分-微分控 制，比例控制，自適應(yīng)控制。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的自抗擾控制方法，針對(duì)非線性自抗擾控制方法參數(shù)多，難以整定的劣勢(shì)，提出了一種自抗擾控制的改進(jìn)方法。這種改進(jìn)的自抗擾控制方法將傳統(tǒng)自抗擾控制方法中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)為一種不基于系統(tǒng)模型的擾動(dòng)觀測(cè)器。而利用線性自抗擾控制器參數(shù)整定的方法，將擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)為只與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)的觀測(cè)器。從而達(dá)到降低所整定參數(shù)數(shù)量的目的。除此之外，該改進(jìn)的自抗擾控制方法充分結(jié)合了線性自抗擾和非線性自抗擾的優(yōu)缺點(diǎn)。從而最大化了控制器的性能。所提出的控制方法能降低傳統(tǒng)自抗擾控制方法的誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號(hào)】CN104570730
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410693122
【發(fā)明人】黃永梅, 蔡華祥, 杜俊峰, 唐濤, 張桐, 左丹, 程靜
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年11月26日