一种克服间隙非线性的自抗扰控制器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种克服间隙非线性的自抗扰控制器的设计方法，根据系统控制回路开环传递函数中串联的纯积分器数目，确定需要降低的阶次，通过设计相应的降阶扩张状态观测器，即所降阶数等于串联的纯积分器数目来消除间隙非线性环节的影响，大幅提高控制性能，保证系统输出能够完美跟踪期望输入，没有稳态误差，且最终消除极限环振荡的不利影响；本发明专利技术不需要精确的系统模型和间隙模型，对间隙非线性的幅值大小不敏感，且对于除间隙外的其他具有相似特性的非线性影响，比如摩擦造成的滞回非线性特性也可有效补偿，消除与之相关的极限环振荡。

【技术实现步骤摘要】
一种克服间隙非线性的自抗扰控制器的设计方法
本专利技术属于高精度伺服控制
，涉及一种克服间隙非线性的自抗扰控制器的设计方法。
技术介绍
在自动控制系统内部，系统中不可避免地存在间隙或者类似间隙的非线性。以伺服系统为例，执行机构与被控对象之间的连接多是通过齿轮、齿带或蜗杆等传动环节。在这种系统中，传动间隙不可避免地成为最主要的非线性因素，而由于其不可微、不光滑的特性，使得传动间隙无法线性化且补偿难度大，对于间隙的处理方法大致可以分为两大类，第一类是通过精密机械结构设计和后期润滑方法，但是代价高昂。如果传动间隙为零，则啮合部位完全啮合，是无法运动传递的，因此这种方法只能最大限度减小间隙，而无法完全消除。且随着设备的使用，啮合部位的刚性碰撞会导致啮合面的磨损，进而增大间隙，导致控制效果更加恶劣。第二类是通过控制理论和方法的应用，由于传动环节处在间隙之内时，被控对象和执行机构是相互独立的两个子系统，而间隙非线性的模型复杂，实际不确定度高，因此对于间隙非线性的处理一直缺乏可靠的理论支撑。间隙非线性对于控制性能的影响主要在于由于极限环而引发的自激振荡，即系统输出在稳态值附近上下等幅振荡，严重时还会导致系统不稳定。当被控对象处于间隙之内时，它是不受控的，基于输出与期望值之间的误差计算得到的控制量不能作用到被控对象上，导致控制效果进一步变差。随着近年来控制理论的快速发展，关于间隙的机理和建模理论也取得了一系列成果，最常用的是对于间隙的补偿，通过引入间隙的逆模型，实现间隙的对消。关于间隙的建模常见的主要有三种，第一种是迟滞模型，简单实用，常用于求取间隙的逆；第二种是死区模型，提出最早且应用广泛；第三种是对死区模型的改进模型，加入了弹性和摩擦阻尼因素，更接近实际。描述函数法在间隙非线性的理论分析和实际补偿中应用广泛，通过调节参数，当系统线性部分的开环Nyquist曲线与非线性部分的描述函数负倒数没有交点时，可以避免极限环的产生。而在控制算法方面，自适应和鲁棒控制应用最多，引入死区的平滑反函数并在backstepping技术中将其用于控制器的设计；基于模型预测控制(MPC)的间隙补偿混合模型进行补偿；以及通过模型辨识方法对被控对象的间隙参数进行辨识并在控制器中抵消，等等。但大多数方法都需要基于对间隙和被控对象的精确建模，分析和计算过程复杂，完全依赖于间隙的数学模型，而建立的数学模型往往与实际系统存在较大差别，因此工程上很难实现。自抗扰控制是一种能够估计系统总扰动的控制策略，其中的总扰动既包括了系统外部的干扰，也包括系统内部参数变化而引起的不确定性，估计扰动后通过状态反馈在控制器中进行补偿，使系统近似于积分串联型的理想形式并进行控制器设计，理论分析可行，实际也取得了广泛应用。扩张状态观测器用于估计系统状态以及总扰动，无需建立精确的系统模型。在实际控制中，如果只取电机轴位置反馈，则会由于负载在间隙之内的不可控性而导致稳态误差，取负载位置反馈，则会导致极限环振荡，自抗扰控制可以看作是一种信息的提取，考虑直接将负载做反馈的控制方法，对包括间隙在内的扰动进行估计补偿，克服非线性的影响。针对伺服系统中的间隙非线性问题，专利名称为“一种能克服传动间隙非线性的双环自抗扰控制器，专利号为ZL201610265025.3”的专利采用双环ADRC来解决系统中的间隙非线性，该方法需要利用执行器和负载两端的传感器信息，虽然能够克服传动间隙非线性的影响，但是设计原理不同，实现代价更大。
技术实现思路
本专利技术提供了一种克服间隙非线性影响的自抗扰控制器的设计方法，利用构建降阶自抗扰控制器来抑制类似传动间隙非线性环节的影响，解决间隙非线性引起的极限环振荡问题。一种克服间隙非线性的自抗扰控制器设计方法，具体包括如下步骤：步骤S00、建立被控对象的数学模型；对于阶数大于2的被控对象，采用串级控制，设计各内环控制器；然后获得最外环的开环传递函数，并判断开环传递函数中串联的纯积分器数目，将该数目作为自抗扰控制器的降阶阶数；步骤S01、根据步骤S00确定的降阶阶数，设计相应降阶处理的扩张状态观测器。步骤S02、利用降阶扩张状态观测器的输出，设计自抗扰控制器的控制律，实现对间隙非线性的实时观测和补偿。较佳的，所述扩张状态观测器为非线性扩张状态观测器或线性扩张状态观测器。较佳的，所述自抗扰控制器的控制律为线性或非线性形式。较佳的，所述步骤S00中，通过机理建模或系统辨识，建立被控对象的数学模型。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提出的采用降阶处理的自抗扰控制器，利用构建降阶自抗扰控制器来抑制类似传动间隙非线性环节的影响，能够有效估计间隙非线性，并进行实时补偿，避免系统响应出现极限环振荡；对传动间隙的大小变化不敏感，具有良好的适应性；直接控制间隙之外的真实负载输出，可保证其稳态误差为零；不需增加额外的传感器，在大幅提高系统性能的同时，实现简单、代价小，适合工程应用；不仅仅可以用于克服伺服系统中的传动间隙非线性，还可以扩展至其他具有类似间隙非线性的控制领域，比如过程控制中的滞回(迟滞)特性等，具有普遍应用效果。附图说明图1为存在传动间隙的二惯量系统框图。图2为降一阶处理的自抗扰控制器原理框图。图3为存在间隙时全阶自抗扰控制器的负载位置响应仿真结果。图4为存在间隙时降一阶处理自抗扰控制器的负载位置响应仿真实验曲线。图5为位置直接降二阶处理的自抗扰控制器原理框图。图6为存在间隙时降二阶处理自抗扰控制器的负载位置响应仿真实验曲线。图7为滞回特性输入输出曲线。图8为存在间隙和摩擦滞回时的降二阶处理自抗扰控制器负载位置响应仿真实验曲线。图9为存在间隙时全阶自抗扰控制器的负载位置响应实验曲线。图10为存在间隙时全阶自抗扰控制器的负载位置响应实验曲线(局部放大)。图11为电机速度响应实验曲线。图12为存在间隙时降一阶处理自抗扰控制器的负载位置响应实验曲线。图13为存在间隙时降一阶处理自抗扰控制器的负载位置响应实验曲线(局部放大)。图14为存在间隙时降二阶处理自抗扰控制器的负载位置响应实验曲线。图15为存在间隙时降二阶处理自抗扰控制器的负载位置响应实验曲线(局部放大)。图16为存在间隙时降二阶处理自抗扰控制器的控制量实验曲线。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。对于含有间隙非线性环节的被控对象，例如含有传动间隙的伺服系统，被控对象中通常含有多个积分器，比如力矩、速度、位置变量之间存在的积分器(关系)。根据位置环开环传递函数中串联的纯积分器数目，设计相应的降阶自抗扰控制器。通过设计相应的降阶扩张状态观测器(所降阶数等于串联的纯积分器数目)来消除间隙非线性环节的影响。下面以伺服系统为例进行说明。对于传统的状态观测器，在(A,C)可观测的情况下，观测矩阵C的秩能够反映系统可观测的状态数量，若C矩阵秩为q，则系统输出y已经能够反映系统的q个状态变量，显然，为了估计全部状态变量来实现状态反馈，只需要设计一个低阶的状态观测器，来估计其余的状态变量，即状态观测器的阶数可以降低q阶。相对于全阶观测器，降阶观测器具有较少数量的积分器，结构简单。扩张状态观测器可以估计总扰动作为扩张状态，在控制器中补偿，而间隙非线性位于主动轴与从动轴之间，根据位置环开环中串联积分器的数目不同，间隙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种克服间隙非线性的自抗扰控制器设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤S00、建立被控对象的数学模型；对于阶数大于2的被控对象，采用串级控制，设计各内环控制器；然后获得最外环的开环传递函数，并判断开环传递函数中串联的纯积分器数目，将该数目作为自抗扰控制器的降阶阶数；步骤S01、根据步骤S00确定的降阶阶数，设计相应降阶处理的扩张状态观测器。步骤S02、利用降阶扩张状态观测器的输出，设计自抗扰控制器的控制律，实现对间隙非线性的实时观测和补偿。

【技术特征摘要】
1.一种克服间隙非线性的自抗扰控制器设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤S00、建立被控对象的数学模型；对于阶数大于2的被控对象，采用串级控制，设计各内环控制器；然后获得最外环的开环传递函数，并判断开环传递函数中串联的纯积分器数目，将该数目作为自抗扰控制器的降阶阶数；步骤S01、根据步骤S00确定的降阶阶数，设计相应降阶处理的扩张状态观测器。步骤S02、利用降阶扩张状态观测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡涛，刘新宁，毕晋攀，陈杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11