基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器及控制方法技术方案

基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器，包括：理想参考模型控制单元，用于接收设定输入量和参考输出量，并且输出理想控制输入量；二阶理想参考模型单元，用于接收理想控制输入量并输出参考输出量，且将参考输出量传输给理想参考模型控制单元；误差单元，用于接收参考输出量和来自于二阶实际被控对象的实际输出量，并且输出误差量；扰动观测单元，用于接收误差量并且输出扰动观测量；实际系统控制单元，用于接收理想控制输入量和扰动观测量，并且输出实际控制输入量给二阶实际被控对象。本发明专利技术提供一种基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器及控制方法，调整参数少，抗扰性能好，鲁棒性强，扰动估计的精度和控制效率更高。

Second-order system controller and control method based on reference model and disturbance observation

【技术实现步骤摘要】
基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器及控制方法
本专利技术涉及自动控制
，具体的说是基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器及控制方法。
技术介绍
许多机电系统、例如机器人、光电稳定平台、雷达伺服系统等都可以简化为一个二阶系统，但是由于机电系统的实际建模通常存在一些误差，主要包括模型参数时变和误差，系统的未建模动态以及外部扰动，这些扰动会影响系统的实际输出，从而造成控制系统性能下降，甚至造成系统发散。目前，在各种工业应用场合，绝大多数是采用传统的PID控制，它对存在较大扰动的对象控制效果较差。在一些高精度和快速响应的应用领域，PID无法满足高性能控制系统指标的要求。例如：机器人、数控机床、光刻机等。因此，如何消除被控对象各种扰动的影响，成为控制系统设计者需要解决的首要问题。其中，应用扰动观测器补偿是一种重要的方法，通过扰动观测器实时估计系统的扰动量，然后在控制律中进行补偿。在这种方法中，提高扰动观测器的估计精度至关重要。在20世纪90年代初，韩京清教授提出了自抗扰控制技术，近30年来，其工程应用和理论研究不断发展。自抗扰控制具有抗扰性能好、鲁棒性强、精度高等优点，目前，已应用于电机控制、火力发电、化工石化、航空航天等控制领域，取得了较好的控制效果，有较高工程应用价值。高志强教授将线性自抗扰控制(LADRC)的主要参数分别对应为控制器带宽、观测器带宽，减少了整定参数的数量。由于线性自抗扰控制参数调整比较方便，在越来越多的工程控制场合得到应用。在一些控制场合，自抗扰控制代替了传统的PID控制，但是LADRC的精度还是较低，并且控制输入量较大。
技术实现思路
为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器及控制方法，调整参数少，抗扰性能好，鲁棒性强，扰动估计的精度和控制效率更高。为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器，包括：理想参考模型控制单元，用于接收设定输入量和参考输出量，并且输出理想控制输入量；二阶理想参考模型单元，用于接收理想控制输入量并输出参考输出量，且将参考输出量传输给理想参考模型控制单元；误差单元，用于接收参考输出量和来自于二阶实际被控对象的实际输出量，并且输出误差量；扰动观测单元，用于接收误差量并且输出扰动观测量；实际系统控制单元，用于接收理想控制输入量和扰动观测量，并且输出实际控制输入量给二阶实际被控对象。基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器的控制方法，包括如下步骤：S1、向理想参考模型控制单元输入设定输入量和参考输出量，理想参考模型控制单元输出理想控制输入量；S2、二阶理想参考模型单元接收理想控制输入量，并且输出参考输出量，然后将参考输出量传输给理想参考模型控制单元；S3、误差单元接收参考输出量和来自于二阶实际被控对象的实际输出量，并且输出误差量；S4、扰动观测单元接收误差量，并且输出扰动观测量；S5、实际系统控制单元接收理想控制输入量和扰动观测量，并且输出实际控制输入量；S6、二阶实际被控对象接收实际控制输入量，做出响应并且输出实际输出量。作为一种优选方案，设定输入量记为v，二阶理想参考模型的状态方程为其中z为状态变量，v1为参考输出量，并且有v1＝v，理想参考模型控制单元输出理想控制输入量的方法为u1＝kp1(v1-z1)+kd1(v2-z2)，其中u1为理想控制输入量，kp1和kd1为控制参数。作为一种优选方案，理想参考模型控制单元的控制律增益满足s2+kd1s+kp1＝(s+ωc)2，其中ωc为理想参考模型控制单元的带宽，可得kd1＝2ωc，进而有作为一种优选方案，误差单元输出误差量的方法为：其中e1为误差量，并且有e1＝x1-z1，e2＝x2-z2。作为一种优选方案，扰动观测单元输出扰动观测量的方法为：其中为扰动观测量，kp2＞0，kd2＞0，ki2＞0。扰动观测器的增益满足s3+kd2s2+kp2s+ki2＝(s+ω0)3，其中，ω0为观测器的带宽，可得kd2＝3ω0，进而优化为作为一种优选方案，实际系统控制单元输出实际控制输入量的方法为：有益效果：本专利技术的控制器调整参数少，结构简单，抗扰性能好，鲁棒性强，扰动估计的精度和控制效率更高，具有重要的工程应用价值。本专利技术的控制方法简化了控制器参数的整定，更加简单、方便，并且控制效果好。附图说明图1是本专利技术控制器的结构框图；图2是仿真实验中参数相同时基于本专利技术的控制系统的阶跃响应输出结果；图3是仿真实验中参数相同时基于LADRC的控制系统的阶跃响应输出结果；图4是仿真实验中参数相同时基于本专利技术的控制系统与基于LADRC的控制系统的阶跃响应输出结果对比；图5是仿真实验中参数相同时基于本专利技术的控制系统的扰动估计结果；图6是仿真实验中参数相同时基于LADRC的控制系统的扰动估计结果；图7是仿真实验中参数相同时基于本专利技术的控制系统与基于LADRC的控制系统的控制输入量对比；图8是仿真实验中参数不同时基于本专利技术的控制系统的阶跃响应输出结果；图9是仿真实验中参数不同时基于LADRC的控制系统的阶跃响应输出结果；图10是仿真实验中参数不同时基于本专利技术的控制系统与基于LADRC的控制系统的阶跃响应输出结果对比；图11是仿真实验中参数不同时基于本专利技术的控制系统的扰动估计结果；图12是仿真实验中参数不同时基于LADRC的控制系统的扰动估计结果；图13是仿真实验中参数不同时基于本专利技术的控制系统与基于LADRC的控制系统的控制输入量对比。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1，基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器，包括理想参考模型控制单元、二阶理想参考模型单元、误差单元、扰动观测单元和实际系统控制单元。理想参考模型控制单元，用于接收设定输入量和参考输出量，并且输出理想控制输入量。理想参考模型控制单元可以设置为PD控制器。二阶理想参考模型单元，用于接收理想控制输入量并输出参考输出量，且将参考输出量传输给理想参考模型控制单元。误差单元，用于接收参考输出量和来自于二阶实际被控对象的实际输出量，并且输出误差量。扰动观测单元，用于接收误差量并且输出扰动观测量。扰动控制器可以设置为PID控制器，采用PID控制器，计算简单，实时性高，有利于扰动观测器的工程推广应用。基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器的控制方法，包括S1至S6。S1、向理想参考模型控制单元输入设定输入量和参考输出量，理想参考模型控制单元输出理想控制输入量。S2、二阶理想参考模型单元接收理想控制输入量，并且输出参考输出量，然后将参考输出量传输给理想参考模型控制单元。设定输入量记为v，二阶理想参考模型的状态方程为其中z为状态变量，v1为参考输出量，并且有v1＝v，理想参考模型控制单元输出理想控制输入量的方法为u1＝kp1(v1-z1)+kd1(v2-z2)，其中u1为理想控制输入量，kp1和kd1为控制参数。进一步地，理想参考模型控制单元的控制律增益满足s2+kd1s+kp1＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器，其特征在于，包括：理想参考模型控制单元，用于接收设定输入量和参考输出量，并且输出理想控制输入量；二阶理想参考模型单元，用于接收理想控制输入量并输出参考输出量，且将参考输出量传输给理想参考模型控制单元；误差单元，用于接收参考输出量和来自于二阶实际被控对象的实际输出量，并且输出误差量；扰动观测单元，用于接收误差量并且输出扰动观测量；实际系统控制单元，用于接收理想控制输入量和扰动观测量，并且输出实际控制输入量给二阶实际被控对象。

【技术特征摘要】
1.基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器，其特征在于，包括：理想参考模型控制单元，用于接收设定输入量和参考输出量，并且输出理想控制输入量；二阶理想参考模型单元，用于接收理想控制输入量并输出参考输出量，且将参考输出量传输给理想参考模型控制单元；误差单元，用于接收参考输出量和来自于二阶实际被控对象的实际输出量，并且输出误差量；扰动观测单元，用于接收误差量并且输出扰动观测量；实际系统控制单元，用于接收理想控制输入量和扰动观测量，并且输出实际控制输入量给二阶实际被控对象。2.如权利要求1所述的基于参考模型和扰动观测的二阶系统控制器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、向理想参考模型控制单元输入设定输入量和参考输出量，理想参考模型控制单元输出理想控制输入量；S2、二阶理想参考模型单元接收理想控制输入量，并且输出参考输出量，然后将参考输出量传输给理想参考模型控制单元；S3、误差单元接收参考输出量和来自于二阶实际被控对象的实际输出量，并且输出误差量；S4、扰动观测单元接收误差量，并且输出扰动观测量；S5、实际系统控制单元接收理想控制输入量和扰动观测量，并且输出实际控制输入量；S6、二阶实际被控对象接收实际控制输入量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周涛，吴雄林，李梦杨，王贤立，李玲，门三义，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：河南,41