一种变带宽自抗扰控制方法技术

本发明专利技术公开了一种变带宽自抗扰控制方法，包括以下步骤：对一阶被控对象设计固定带宽的线性扩张状态观测器；在固定带宽线性扩张状态观测器的基础上构造变带宽扩张状态观测器；建立自抗扰控制律，构造基于变带宽扩张状态观测器的变带宽自抗扰控制器；调节变带宽自抗扰控制器的参数直至获得满意的控制效果。本发明专利技术的技术方案，能根据估计偏差的变化实时调节观测器带宽，以提高观测器对时变扰动或突发性扰动的估计能力、减小估计偏差、提高控制精度。

A variable bandwidth auto disturbance rejection control method

【技术实现步骤摘要】
一种变带宽自抗扰控制方法
本专利技术属于控制
，尤其涉及一种基于变带宽机制的扩张状态观测器及基于该观测器的自抗控制方法。
技术介绍
线性自抗扰控制技术以对被控对象模型信息依赖度小和抗干扰能力强等优点，近年来受到国内外的广泛关注。同时，带宽参数化方法的提出进一步减少了可调参数的数目，加速了自抗扰控制在控制工程中的推广与应用。然而，作为线性自抗扰控制技术核心的线性扩张状态观测器，其对时变扰动估计能力的不足，成为制约线性自抗扰控制性能的关键。固定带宽的线性扩张状态观测器可有效估计常值扰动，而在估计时变扰动时，往往存在观测相位滞后的问题。为减小相位滞后，通常的做法是增加观测器带宽。然而，增加观测器带宽也增大了扩张状态观测器对高频噪声的敏感性，使系统抗高频噪声的能力下降。由于固定带宽的观测器无法有效估计时变扰动。因此，为提高线性扩张状态观测器估计时变扰动的能力，提高整个系统的闭环性能，要求线性扩张状态观测器的带宽能根据扰动的变化做出实时调整，以适应时变扰动。
技术实现思路
针对固定带宽的观测器无法有效估计时变扰动的问题，本专利技术提出一种变带宽线性自抗扰控制方法，以反映观测器实时估计效果的重要性能指标——估计偏差作为观测器带宽调整的依据。若估计偏差大，表明观测器估计效果不好，需适当增加观测器带宽；反之，应适当降低观测器带宽，以减少高频噪声的影响，同时降低系统能耗。可见，变带宽的线性扩张状态观测器的优势在于不必使观测器带宽始终维持在一个较高的水平，如果估计误差不大，则令观测器带宽维持在能使系统有效工作的基准水平，而当估计偏差出现较大波动时，能根据估计偏差自动调节观测器带宽，以适应时变扰动或突发性负载扰动、提升自抗扰控制器的控制性能。本专利技术的具体技术方案如下：一种变带宽自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：设计固定带宽的线性扩张状态观测器；对于一阶被控对象：其中，u为系统的控制输入，y为系统的输出量，为系统输出量y的一阶导数，f(y,w)为系统中的总扰动，包含系统内部的不确定性和外部扰动w，b0为可调控制增益；对于一阶被控对象，设计二阶线性扩张状态观测器：其中，z1为输出的估计，z2为总扰动的估计，为z1的一阶导数，为z2的一阶导数，β1与β2为观测器增益；选取观测器增益β1与β2，实现对一阶被控对象中输出量y和总扰动f(y,w)的实时估计，即实现z1趋近于y，z2趋近于f，相应地，控制律设计如下：其中，k1为可调比例增益，r为设定值，u0为比例控制器的输出；结合式(1)，(3)并忽略z2对f(y,w)的估计偏差，一阶对象可简化为单个积分环节：根据带宽参数化方法，线性自抗扰控制的参数可配置为：其中，ωc为控制器带宽，ωo为观测器带宽；S2：令ω'o＝ωo+kp|y-z1|，构造变带宽扩张状态观测器，其中，ω'o为可变观测器带宽，kp为可调增益，|y-z1|为输出量估计偏差的绝对值；结合式(5)得带宽参数化配置：k′1＝ωcβ′1＝2ω′o＝2(ωo+kp|y-z1|)β′2＝(ωo+kp|y-z1|)2；其中，k′1为改进后的可调比例增益，β′1与β′2分别为改进后扩张状态观测器的增益；S3：根据自抗扰控制律构造基于变带宽扩张状态观测器的变带宽自抗扰控制器；S4：设定比例增益kp＝0，调节变带宽自抗扰控制器的参数b0,ωc,ωo使系统正常工作，再逐渐加大比例增益kp的值，直至达到期望的控制效果。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术的方法能根据估计偏差的变化实时调节观测器带宽，以提高观测器对时变扰动或突发性扰动的估计能力、减小估计偏差、提高控制精度；2.与其他基于干扰估计与补偿的控制方法相比，除常值干扰外，对斜坡、正弦等时变扰动也具有较好的估计精度；具有较强的抗突发性负载扰动的能力；适用于设计各阶次自抗扰控制器，具有很好的通用性；可调控制参数具有明确物理意义，方便整定；3.设计过程简洁，便于掌握和应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1是LESO对不同K值正弦扰动的估计偏差情况；图2是本专利技术的方法抗阶跃和斜坡扰动情况对比；图3是本专利技术的方法对正弦扰动的估计效果。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。本专利技术改进了线性扩张状态观测器，特别是扩张状态观测器估计时变扰动的能力。具体来讲是一种新的基于变带宽机制的扩张状态观测器及基于该观测器的自抗控制方法。为了方便理解本专利技术的上述技术方案，以下通过一阶变带宽自抗扰控制器(scalableobserver-bandwidthactivedisturbancerejectioncontrol，SOADRC)为例进行说明。一般地，考虑一阶被控对象：其中，u为系统的控制输入，y为系统的输出量，表示系统输出量y的一阶导数，f(y,w)为系统中的总扰动(后续简写为f)，包含系统内部的不确定性和外部扰动w，b0为可调控制增益；对于一阶被控对象，设计二阶线性扩张状态观测器(linearextendedstateobserver，LESO)如下：其中，z1为输出的估计，z2为总扰动的估计，为z1的一阶导数，为z2的一阶导数，β1与β2为观测器增益；选取合适的观测器增益β1与β2，实现对一阶被控对象(1)中输出量y和总扰动f(y,w)的实时估计，即实现z1趋近于y，z2趋近于f，相应地，控制律设计如下：其中，k1为可调比例增益，r为设定值，u0为比例控制器的输出；结合式(1)，(3)并忽略z2对f(y,w)的估计偏差，一阶对象可简化为单个积分环节：根据带宽参数化方法，线性自抗扰控制(linearactivedisturbancerejectioncontrol，LADRC)的参数可配置为：其中，ωc为控制器带宽，ωo为观测器带宽；根据式(2)得z2的传递函数：其中，s为拉普拉斯算子；根据式(1)有：f＝sy-b0u(7)结合式(5)，(6)，(7)，得LESO的扰动观测传递函数<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变带宽自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：设计固定带宽的线性扩张状态观测器；对于一阶被控对象：/n

【技术特征摘要】
1.一种变带宽自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计固定带宽的线性扩张状态观测器；对于一阶被控对象：



其中，u为系统的控制输入，y为系统的输出量，为系统输出量y的一阶导数，f(y,w)为系统中的总扰动，包含系统内部的不确定性和外部扰动w，b0为可调控制增益；
对于一阶被控对象，设计二阶线性扩张状态观测器：



其中，z1为输出的估计，z2为总扰动的估计，为z1的一阶导数，为z2的一阶导数，β1与β2为观测器增益；
选取观测器增益β1与β2，实现对一阶被控对象中输出量y和总扰动f(y,w)的实时估计，即实现z1趋近于y，z2趋近于f，相应地，控制律设计如下：



其中，k1为可调比例增益，r为设定值，u0为比例控制器的输出；
结合式(1)，(3)并忽略z2对f(y,w)的估计偏差...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏伟，左敏，张志远，
申请(专利权)人：北京工商大学，
类型：发明
国别省市：北京;11