基于线性扩张状态观测器的复合控制系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于线性扩张状态观测器的复合控制系统及其设计方法，包括建立被控对象标称设计模型，设计期望配置的闭环极点，设计反馈测量通道低通滤波器GLP，设计线性扩张状态观测器，设计状态补偿反馈控制律，设计指令前馈控制律和复合控制输出。本发明专利技术各设计环节均不需要进行复杂的参数整定，设计过程物理意义明确，通过基于扩张状态观测器的复合控制可以同时实现对闭环系统鲁棒性能和鲁棒稳定的双重要求。

Composite control system based on linear extended state observer and its design method

The invention provides a composite control system based on linear extended state observer and its design method, including the establishment of the nominal design model of the controlled object, the design of the closed loop pole of the desired configuration, the design of the feedback measurement channel low pass filter GLP, the design of the linear expansion state observer, and the design of the state compensation feedback control law, Design instruction feedforward control law and compound control output. The design process of the invention does not require complex parameter setting, and the physical meaning of the design process is clear. The dual requirements of robust and robust stability of the closed loop system can be realized simultaneously by the composite control based on the extended state observer.

【技术实现步骤摘要】
基于线性扩张状态观测器的复合控制系统及其设计方法
本专利技术涉及一种基于线性扩张状态观测器的复合控制系统及其设计方法，适用于存在强环境干扰及对象特性不确定性的控制系统设计，属于控制

技术介绍
由于外界环境的复杂不确定性(外部干扰)以及被控对象在全工作区域内所表现出的非线性特性(内部干扰)，控制系统设计过程中需要通过有效地反馈调节实现对控制指令的稳定跟踪，并使系统在受到干扰情况下保持一定鲁棒性。对于被控特性已知的确定性系统，通过引入前馈回路可以在不损失稳定性的前提下提高系统的响应速度。线性扩张状态观测器(LinearExtendedStateObserver，LESO)是一种在非线性自抗扰控制基础上发展出的新型状态观测器，设计时将扰动作为系统之外的一个单独状态，通过引入合适的观测误差反馈可以保证观测器的稳定性、时效性，实现将系统中的内部扰动和外部扰动进行实时估计的目的。当系统扰动被准确估计出来后就可以在控制回路中施加扰动补偿策略，进而通过反馈线性化手段将系统补偿为确定性系统。为了使观测误差快速收敛，传统扩张状态观测器中引入了非线性函数，随着系统阶次的增加，观测器可调参数个数也快速增加。另外，采用非线性函数使系统难以使用现有成熟的分析设计工具对观测器的性能进行有效评估。通过采用线性观测误差反馈设计的线性扩张状态观测器，可以简化参数整定的难度，也便于观测器性能的分析与优化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术不足，本专利技术提供了一种基于线性扩张状态观测器状态反馈与指令前馈相结合的复合控制系统设计方法及其系统。在扰动实时补偿基础上，根据所要求的闭环系统动态特性，通过组合状态反馈自由配置极点位置，简化控制参数整定过程，并通过指令前馈进行增益补偿并优化系统响应快速性。对于在全工作区域内存在复杂不确定性扰动的非线性被控对象，根据工作包线选取可以大致表述被控对象传输特性的标称模型作为复合控制系统设计的初始条件。由于观测器频带宽度直接决定扰动状态估计的快速性，进而影响状态补偿后系统相位特性，考虑高带宽观测器对测量噪声的放大效应，对于含有测量噪声的控制输出设计低通滤波器提升观测器输入信号品质。基于LESO的复合控制系统在获取包含扰动信息的状态估计值后，根据所期望的闭环响应特征所确定极点分布位置进行状态反馈补偿，将不确定性系统补偿为确定性形式。在状态补偿基础上，进一步设计前馈增益补偿回路，通过指令前馈进行回路增益补偿及闭环响应特性优化。本专利技术的技术解决方案：本专利技术提供一种基于线性扩张状态观测器的复合控制系统设计方法，包括以下步骤：步骤1：建立被控对象标称设计模型，以常用二阶系统作为对象，获取的标称设计模型如下：k0∈[k0min，k0max]k1∈[k1min，k1max]K∈[Kmin，Kmax]式中，GP0(s)为综合被控对象不确定性给定的标称设计对象传递函数；k0、k1、K分别为标称对象传递函数系数；[k0min，k0max]、[k1min，k1max]、[Kmin，Kmax]表示被控对象在全工作范围内系数k0、k1、K的摄动范围，表征了被控对象的不确定特性；ωn、ξ为标称二阶被控对象对应的自然频率与阻尼比特征参数；s为拉普拉斯算子；步骤2：根据系统期望动态特性确定闭环极点分布位置，在此假定两极点分别为(p1、p2)：ΔΦ(s)＝(s+p1)(s+p2)＝s2+(p1+p2)s+p1p2式中，ΔΦ(s)为由极点(p1、p2)确定的系统闭环特征方程，ωnc、ξc为由极点(p1、p2)决定的二阶系统自然频率与阻尼比特征参数，表征了期望系统的频域与时域特性；步骤3：根据系统环境噪声特性与测量通道配置性能，设计反馈测量通道低通滤波器GLP；步骤4：设计线性扩张状态观测器：选取线性扩张状态观测器观测带宽为ωo，将步骤1选取的标称设计模型描述为状态空间描述形式，如下所示：式中，f(Δ)为系统扰动，将其定义为扩张状态变量x3＝f(Δ)，x1、x2二阶系统对应的状态变量，设计线性扩张状态观测器如下所示：式中，Z1、Z2、Z3为与二阶系统对应的扩张状态器状态变量，yf为低通滤波器输出，β01、β02、β03为扩张状态观测器误差反馈增益，根据选定的观测带宽ωo，取值如下：步骤5：状态补偿反馈控制律设计：根据步骤4中扩张状态观测器建模状态及扰动变量输出，结合步骤2中自由配置的闭环极点位置，设计补偿反馈控制律如下：上式中，反馈补偿控制律第一项为极点配置对应的状态反馈，第二项为针对环境扰动及被控对象特性偏离标称设计模型产生的扰动补偿项；步骤6：设计指令前馈控制律设计指令前馈控制律形式如下所示：ub＝GA·Gpc(s)前馈控制律中ub中第一项GA为回路增益补偿项，用于实现对扩张状态观测器反馈补偿后确定性系统稳态增益的补偿；第二项Gpc为在不损失系统稳定鲁棒性的前提下，为指令调理环节；T为一阶超前惯性时间常数、α为校正系数；步骤7：复合控制输出复合控制系统最终输出u由指令前馈调节量ub与状态补偿反馈量ud两部分组成：u＝ub+ud本专利技术还提供一种基于线性扩张状态观测器的复合控制系统，包括低通滤波器GLP，线性扩张状态观测器、状态补偿反馈模块、指令前馈控制模块和复合控制输出模块，其中：所述低通滤波器GLP与被控对象输出相连，用于去除系统输出信号中掺杂的传感器高频测量噪声，为观测器提供观测参考；线性扩张状态观测器与低通滤波器GLP、复合控制输出相连，通过综合两种输入信号的动态变换关系对系统状态和不确定扰动信息进行实时估计，用于扰动补偿反馈模块的计算输入；所述线性扩张状态观测器观测带宽为ωo，将标称设计模型描述为状态空间描述形式，如下所示：式中，f(Δ)为系统扰动，将其定义为扩张状态变量x3＝f(Δ)，x1、x2二阶系统对应的状态变量，设计线性扩张状态观测器如下所示：式中，Z1、Z2、Z3为与二阶系统对应的扩张状态器状态变量，yf为低通滤波器输出，β01、β02、β03为扩张状态观测器误差反馈增益，根据选定的观测带宽ωo，取值如下：所述状态反馈补偿模块与线性扩张状态观测器输出相连，结合所期望闭环特性，用于实现对系统期望闭环极点的配置和由于被控对象特性偏离标称设计状态进行扰动补偿控制量计算，所述所述状态反馈补偿模块的补偿反馈控制律如下：上式中，反馈补偿控制律第一项为极点配置对应的状态反馈，第二项为针对环境扰动及被控对象特性偏离标称设计模型产生的扰动补偿项；指令前馈控制模块与系统外部指令相连，用于计算给定控制目标对应的前馈控制量，所述指令前馈控制模块的指令前馈控制律形式如下所示：ub＝GA·Gpc(s)前馈控制律中ub中第一项GA为回路增益补偿项，用于实现对扩张状态观测器反馈补偿后确定性系统稳态增益的补偿；第二项Gpc为在不损失系统稳定鲁棒性的前提下，为指令调理环节；T为一阶超前惯性时间常数、α为校正系数；复合控制输出模块与指令前馈控制模块、扰动补偿反馈模块，用于计算复合控制系统的最终输出，所述复合控制系统最终输出u由指令前馈调节量ub与状态补偿反馈量ud两部分组成：u＝ub+ud。本专利技术与现有技术相比的有益效果：(1)本专利技术设计的复合控制系统通过在反馈测量通道嵌入低通滤波器提升观测变量信号品质，使可以在强测量噪声的下通过提高观测器带本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线性扩张状态观测器的复合控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立被控对象标称设计模型，以常用二阶系统作为对象，获取的标称设计模型如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于线性扩张状态观测器的复合控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立被控对象标称设计模型，以常用二阶系统作为对象，获取的标称设计模型如下：k0∈[k0min，k0max]k1∈[k1min，k1max]K∈[Kmin，Kmax]式中，GP0(s)为综合被控对象不确定性给定的标称设计对象传递函数；k0、k1、K分别为标称对象传递函数系数；[k0min，k0max]、[k1min，k1max]、[Kmin，Kmax]表示被控对象在全工作范围内系数k0、k1、K的摄动范围，表征了被控对象的不确定特性；ωn、ξ为标称二阶被控对象对应的自然频率与阻尼比特征参数；s为拉普拉斯算子；步骤2：根据系统期望动态特性确定闭环极点分布位置，在此假定两极点分别为(p1、p2)：ΔΦ(s)＝(s+p1)(s+p2)＝s2+(p1+p2)s+p1p2式中，ΔΦ(s)为由极点(p1、p2)确定的系统闭环特征方程，ωnc、ξc为由极点(p1、p2)决定的二阶系统自然频率与阻尼比特征参数，表征了期望系统的频域与时域特性；步骤3：根据系统环境噪声特性与测量通道配置性能，设计反馈测量通道低通滤波器GLP；步骤4：设计线性扩张状态观测器：选取线性扩张状态观测器观测带宽为ωo，将步骤1选取的标称设计模型描述为状态空间描述形式，如下所示：式中，f(Δ)为系统扰动，将其定义为扩张状态变量x3＝f(Δ)，x1、x2二阶系统对应的状态变量，设计线性扩张状态观测器如下所示：式中，Z1、Z2、Z3为与二阶系统对应的扩张状态器状态变量，yf为低通滤波器输出，β01、β02、β03为扩张状态观测器误差反馈增益，根据选定的观测带宽ωo，取值如下：步骤5：状态补偿反馈控制律设计：根据步骤4中扩张状态观测器建模状态及扰动变量输出，结合步骤2中自由配置的闭环极点位置，设计补偿反馈控制律如下：上式中，反馈补偿控制律第一项为极点配置对应的状态反馈，第二项为针对环境扰动及被控对象特性偏离标称设计模型产生的扰动补偿项；步骤6：设计指令前馈控制律设计指令前馈控制律形式如下所示：ub＝GA·Gpc(s)前馈控制律中ub中第一项GA为回路增益补偿项，用于实现对扩张状态观测器反馈补偿后确定性系统稳态增益的补偿；第...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯营东，黄屹，王文娟，孙晓旭，孟祥瑞，谢勇，巩轶男，
申请(专利权)人：中国航天科工飞航技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11