一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构技术方案

本发明专利技术提供一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，其特征在于，包括：输入控制器模块、扩张状态观测器模块、滤波器模块、堆栈器模块以及控制输入增益估计模块。本发明专利技术将自适应方法同扩张状态观测器相结合，提出一种响应快、效益高、环境适应性强的控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构设计，实现对控制输入增益b

A data-driven anti-interference control structure for uncertain system with unknown control gain

【技术实现步骤摘要】
一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构
本专利技术涉及不确定系统抗干扰控制领域，具体而言，尤其涉及一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构。
技术介绍
PID控制是当前在工业控制领域中应用最为广泛的一种控制方法，其主要包括比例控制、积分调节、微分调节，在现代工业生产领域中具有原理简单、使用方便、可靠性高、灵活、鲁棒性好等优点。然而工业对象复杂且普遍存在不确定性、强干扰性和时变性等内外因素，使得PID控制的精度和鲁棒性降低，因而PID控制在复杂不确定非线性系统中的应用受到限制。自抗扰控制(ADRC)将模型自身产生的不确定性作为内扰，和非线性系统的外部扰动一起看作总和扰动，通过建立扩张状态观测器(ESO)对系统的状态和不确定性进行估计，并在闭环反馈中消除该扰动对闭环系统动态特性的影响，具有理想的控制效果。扩张状态观测器作为自抗扰控制的核心单元，不仅能获得对象模型的内扰与外扰的总扰和实时作用量，还能获得不确定对象的状态，通过消除闭环系统的静差起到很好的扰动抑制作用。近些年来自适应控制得到了飞速的发展，已经成为现代控制理论中最热门的研究领域之一。自适应控制针对被控对象及其环境数学模型不确定的控制系统，通过测量参数的跟踪误差，根据需求不断调节自适应机构，既要保证系统输出满足要求，也要保证系统稳定。但是现有的基于扩张状态观测器的控制方法依然存在如下问题：第一，现有的基于扩张状态观测器的自抗扰控制方法中，虽然可以输出复杂不确定系统的有效控制信号u，但是需假设非线性系统的控制输入增益参数b0已知或标称b0*已知。然而参数b0的获取需要经过大量实验，重复计算会耗费很多的精力和财力，导致不必要的浪费。第二，现有的基于扩张状态观测器的自适应方法中，无法对复杂不确定系统的未知不确定性扰动σ进行估计。虽然能保证控制输入增益的估计误差收敛于一定区间，但是无法保证控制输入增益估计参数精确收敛到实际值b0。第三，现有的基于扩张状态观测器的自适应控制方法中，虽然能保证控制输入增益参数b0的估计轨迹跟踪实际轨迹，但是对控制输入增益参数b0的在线估计没有利用历史数据不能保证在有限时间内收敛响应。
技术实现思路
根据上述提出控制增益输入参数难以获取且收敛性能不佳的技术问题，而提供一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构。本专利技术将自适应方法同扩张状态观测器相结合，提出一种响应快、效益高、环境适应性强的控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，实现对控制输入增益b0的精确估计、未知不确定性σ的有效估计，保证了复杂不确定系统状态参数实际值x收敛于期望值r，估计值收敛于实际值x。本专利技术采用的技术手段如下：一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，包括：输入控制器模块、扩张状态观测器模块、滤波器模块、堆栈器模块以及控制输入增益估计模块；所述输入控制器模块的输入端与复杂不确定系统状态x、未知不确定性估计控制输入增益估计以及系统期望状态r相连，所述输入控制器模块的输出控制输入u；所述扩张状态观测器模块的输入端与控制输入u、复杂不确定系统状态x以及控制输入增益估计相连，所述扩张状态观测器模块输出未知不确定性估计所述滤波器模块的输入端与复杂不确定系统状态x、未知不确定性估计以及控制输入u相连，所述滤波器模块输出滤波状态导数L和滤波回归矩阵T；所述堆栈器模块的输入端与滤波器模块的输出端相连，所述堆栈器模块输出堆栈存储器中的存储数据T(i)和L(i)；所述控制输入增益估计模块的输入端与堆栈存储器的存储数据T(i)和L(i)、复杂不确定系统状态跟踪误差xd、控制输入u以及控制输入增益估计相连，所述控制输入增益估计模块输出控制输入增益估计的导数。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：第一，现有的基于扩张状态观测器的自抗扰控制方法需要假设控制输入增益参数b0已知或标称b0*已知，输入控制器才能有效输出控制输入u。而本专利技术针对控制参数b0未知的复杂不确定系统，利用控制输入增益参数估计既能有效输出控制输入u，也能实现对控制输入增益参数b0的在线估计。第二，现有的基于扩张状态观测器的自适应方法中，无法实现对复杂不确定系统的未知不确定性扰动σ有效估计，也无法实现对控制输入增益参数b0零误差跟踪。而本专利技术通过建立扩张状态观测器保证未知不确定性扰动估计参数收敛到真实值，同时保证控制输入增益估计参数精确收敛到实际值b0。第三，现有的基于扩张状态观测器的自适应控制方法中，虽然能保证控制输入增益参数b0的估计轨迹跟踪实际轨迹，但是对于实际值的跟踪响应需要大量时间。而本专利技术利用控制输入增益的历史经验数据使得在有限时间内控制参数的迅速收敛，且估计误差趋于零。基于上述理由，本专利技术能够在不确定系统抗干扰控制领域广泛推广。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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术控制结构示意图。图2是实施例中不确定系统的控制状态x的观测效果图。图3是实施例中复杂不确定系统的未知不确定性σ的观测效果图。图4是实施例中复杂不确定系统的控制输入增益b0的观测效果图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，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的实施例，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，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。如图1所示，本专利技术提供了一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，包括：输入控制器模块、扩张状态观测器模块、滤波器模块、堆栈器模块以及控制输入增益估计模块；所述输入控制器模块的输入端与复杂不确定系统状态x、未知不确定性估计控制输入增益估计以及系统期望状态r相连，所述输入控制器模块的输出控制输入u；所述扩张状态观测器模块的输入端与控制输入u、复杂不确定系统状态x以及控制输入增益估计相连，所述扩张状态观测器模块输出未知不确定性估计所述滤波器模块的输入端与复杂不确定系统状态x、未知不确定性估计以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，其特征在于，包括：输入控制器模块、扩张状态观测器模块、滤波器模块、堆栈器模块以及控制输入增益估计模块；/n所述输入控制器模块的输入端与复杂不确定系统状态x、未知不确定性估计

【技术特征摘要】
1.一种控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，其特征在于，包括：输入控制器模块、扩张状态观测器模块、滤波器模块、堆栈器模块以及控制输入增益估计模块；
所述输入控制器模块的输入端与复杂不确定系统状态x、未知不确定性估计控制输入增益估计以及系统期望状态r相连，所述输入控制器模块的输出控制输入u；所述扩张状态观测器模块的输入端与控制输入u、复杂不确定系统状态x以及控制输入增益估计相连，所述扩张状态观测器模块输出未知不确定性估计所述滤波器模块的输入端与复杂不确定系统状态x、未知不确定性估计以及控制输入u相连，所述滤波器模块输出滤波状态导数L和滤波回归矩阵T；所述堆栈器模块的输入端与滤波器模块的输出端相连，所述堆栈器模块输出堆栈存储器中的存储数据T(i)和L(i)；所述控制输入增益估计模块的输入端与堆栈存储器的存储数据T(i)和L(i)、复杂不确定系统状态跟踪误差xd、控制输入u以及控制输入增益估计相连，所述控制输入增益估计模块输出控制输入增益估计的导数


2.根据权利要求1所述的控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，其特征在于，所述复杂不确定系统的状态方程描述为：



其中，u为所述复杂不确定系统的控制输入，x为所述复杂不确定系统的系统状态，f(x,t)表示未知不确定性函数，b0为控制输入增益，为复杂不确定系统状态的导数。


3.根据权利要求2所述的控制增益未知不确定系统的数据驱动抗干扰控制结构，其特征在于，所述输入控制器模块根据以下模型建立：



其中为复杂不确定系统期望状态的导数，k∈R3×3为控制输入的设计参数。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘陆，阮明昊，古楠，王丹，彭周华，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21