自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统技术方案

本发明专利技术属于抗扰控制技术领域，提供了一种自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统，该自抗扰控制方法包括：根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号；构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量；设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。通过采用滑模控制器代替传统的非线性反馈控制，提高了自抗扰控制的高频震颤抑制能力及控制过程的平稳性，增强了系统的抗扰能力。

【技术实现步骤摘要】
自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统
本专利技术属于跟踪控制
，尤其涉及自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统。
技术介绍
ATP(Acquisition、TrackingandPointing，捕获、跟踪、瞄准)是用于实现空间激光通信链路建立和保持的关键技术。为了同时实现高动态范围和高精度跟踪，当前空间激光通信几乎都采用粗跟踪、精跟踪复合轴控制结构，当粗跟踪控制单元将入射光引至精跟踪探测器视场后,精跟踪控制单元进入光路闭环跟踪阶段。对于一个典型的激光通信系统来说，其光束宽度约为10μrad。因此跟瞄精度必须优于5μrad，实际设计中一般优于2μrad，瞄准精度优于1μrad。精跟踪系统的高精度可以减小因视轴抖动引起的光能损失，可以有效克服大气湍流以及其他干扰引起的误差。精跟踪系统的闭环带宽通常很高，一般为200Hz以上才能保证整个系统稳定可靠通信，带宽越高，精跟踪系统对干扰的抑制能力越强，系统的反应速度越快，跟踪精度越高。因此设计一个高带宽高精度的精跟踪系统是空间激光通信ATP系统的关键所在。ADRC(ActiveDisturbanceRejectionControl，自抗扰控制)最突出的优点就是把作用于被控对象的所有不确定因素都归结为“未知扰动”，通过对输入输出数据的处理对其进行估计并补偿。由于自抗扰控制是基于传统PID控制开发的新型实用技术，因此凡是能用常规PID的场合，只要能够数字化，采用自抗扰控制器就会使系统的控制品质和控制精度有根本的提高，尤其是在高精度控制的场合，自抗扰控制更能显示出其优越性能。然而，尽管自抗扰控制具有很强的鲁棒性，由于当前的自抗扰控制对系统的动态参数变化比较敏感，导致自抗扰控制仍然存在原点附近高频震颤等现象，影响了自抗扰控制的性能，降低了系统跟踪过程的稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供自抗扰控制方法、控制器及精跟踪控制系统，旨在解决由于现有技术中的自抗扰控制方法、控制器存在高频震颤等现象而影响自抗扰控制性能的技术问题。第一方面，本专利技术提供了一种自抗扰控制方法，包括：根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号；构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量；设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振；补偿扰动，扩张状态观测器估计出系统总干扰，通过前馈网络将所述系统总干扰作用到所述滑模控制器的控制量，完成被控对象的实际控制量，实现扰动补偿。第二方面，本专利技术还提供了一种自抗扰控制器，包括：跟踪微分器，用于根据设定值的大小对输入信号安排过渡过程，并提取其微分信号；扩张状态观测器，用于根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和；滑模控制器，所述滑模控制器与所述跟踪微分器、扩张状态观测器连接，用于接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。可选的，所述跟踪微分器的控制函数为：其中，yd是给定输入轨迹曲线，v1是yd的跟踪信号，v2是v1的微分信号，r是快速因子，h是滤波因子，分别影响跟踪速度和滤波效果，fhan(v1-yd,v2,r,h)是最速控制的综合函数。可选的，所述跟踪微分器中fhan(v1-yd,v2,r,h)的表达式为：其中，可选的，所述扩张状态观测器的计算模型为：其中e1是观测器误差，z1为观测器估计的位置信号，z2为观测器估计的速度信号，z3为观测器估计的扰动信号；β01,β02,β03是观测器的增益系数，f0是系统建模已知部分。可选的，所述滑模控制器的计算模型为：其中，0为滑模控制器输出，x1表示位置信号，x2表示速度信号；λ1和μ1为控制器设计参数，且都是大于零的正数；q1和p1为正奇数，满足a0，a1，b为系统模型辨识参数，是扰动上限的估计值且满足若e＝v1-z1≈yd-x1，则滑模面函数c为滑模面系数且c>0。第三方面，本专利技术还提供了一种精跟踪控制系统，该系统包括如第一方面所述的自抗扰控制器。本专利技术通过采用滑模控制器代替传统自抗扰控制器中的非线性反馈控制，提高了自抗扰控制器的高频震颤抑制能力及控制过程的平稳性，增强了系统的抗扰能力。由于不需要精确的被控对象模型，能够对系统未建模部分以及外部扰动做出估计并补偿，因此，自抗扰控制器对系统动态参数变化不敏感，能够有效补偿参数变化带来的影响，使精跟踪控制系统有快速的响应，提高稳态精度，有利于在工程中应用。附图说明图1示出了本专利技术实施例一提供的自抗扰控制方法的流程图。图2示出了本专利技术实施例一提供的自抗扰控制器的结构示意图。图3示出了本专利技术实施例三提供的一种精跟踪控制系统的结构示意图。图4示出了一种精跟踪控制系统的光路图。图5示出了一种精跟踪实际控制效果对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述：实施例一：图1示出了本专利技术实施例一提供的自抗扰控制方法的流程图。为了便于说明，仅示出了与本专利技术实施例相关的部分，该自抗扰控制方法包括如下步骤：步骤S10，根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号。步骤S20，构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量。步骤S30，设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。步骤S40，补偿扰动，扩张状态观测器估计出系统总干扰，通过前馈网络将所述系统总干扰作用到所述滑模控制器的控制量，完成被控对象的实际控制量，实现扰动补偿。根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号，并提供过渡过程各阶导数的动态环节，因此避免了控制量剧烈变化的问题。跟踪微分器的控制函数为：其中，yd是给定输入轨迹曲线，v1是yd的跟踪信号，v2是v1的微分信号，r是快速因子，h是滤波因子，分别影响跟踪速度和滤波效果，fhan(v1-yd,v2,r,h)是最速控制的综合函数。可选的，所述跟踪微分器中fhan(v1-yd,v2,r,h)的表达式为：其中，构造扩张状态观测器后，将影响系统输出的所有扰动扩张成新的状态变量，其结果是把所有不确定对象的内部扰动和外部扰动的影响都集中到一个被扩张的状态中，即对扰动的估计。扩张状态观测器的计算模型为：其中e1是观测器误差，z1为观测器估计的位置信号，z2为观测器估计的速度信号，z3为观测器估计的扰动信号。β01,β02,β03是观测器的增益系数，f0是系统建模已知部分。当zi是状态变量xi的观测值时，i＝1,2,3；其中x3是扩张的状态变量，z3是系统总扰动的估计值(即观测器估计的扰动信号)。通过采用滑模控制器代替传统非线性反馈控制率，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，有效消除传统自抗扰方法在原点的抖振现象。滑模变结构控制器的计算模型为：其中，0为滑模控制器输出，x1表示位置信号，x2表示速度信号；λ1和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自抗扰控制方法，其特征在于，所述方法包括：根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号；构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量；设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。

【技术特征摘要】
1.一种自抗扰控制方法，其特征在于，所述方法包括：根据预设的跟踪曲线轨迹设计跟踪微分器，得到光滑的输入信号；构造扩张状态观测器，根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和，将所述扰动总和扩张成新的状态变量；设计滑模控制器，接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：补偿扰动，扩张状态观测器估计出系统总干扰，通过前馈网络将所述系统总干扰作用到所述滑模控制器的控制量，完成被控对象的实际控制量，实现扰动补偿。3.一种自抗扰控制器，其特征在于，所述自抗扰控制器包括：跟踪微分器，用于根据设定值的大小对输入信号安排过渡过程，并提取其微分信号；扩张状态观测器，用于根据被控对象输入输出估计系统的状态和扰动总和；滑模控制器，所述滑模控制器与所述跟踪微分器、扩张状态观测器连接，用于接收所述跟踪微分器与所述扩张状态观测器的耦合输出，减小内部参数摄动和外部干扰，消除原点的抖振。4.如权利要求3所述的自抗扰控制器，其特征在于，所述跟踪微分器的控制函数为：其中，yd是给定输入轨迹曲线，v1是yd的跟踪信号，v2是v1的微分信号，r是快速因子，h是滤波因子，分别影响跟踪速度和滤波效果，fhan(v1-yd，v2，r，h)是最速控制的综合函数。5.如权利要求4所述的自抗扰控制器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永凯，董全睿，张玉良，高世杰，王建立，陈涛，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22