一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法，用于解决传统扰动观测器方法在非最小相位系统中出现的系统不稳定，无法抑制扰动的问题。本发明专利技术引入正向模型，给出新的扰动观测器框架结构和双滤波器设计方案。本发明专利技术从新扰动观测器的框架结构出发，对双滤波器进行稳定性约束，在保证系统稳定的前提下，分析系统的跟踪特性和扰动抑制特性。本发明专利技术中的滤波器一采用原有闭环控制器的设计，滤波器二根据滤波器一进行设计，并实现与滤波器一相同的性能。本发明专利技术在不改变闭环非最小相位系统的跟踪特性和稳定性的基础上，单独使用任一滤波器，可以把系统扰动抑制能力提升一倍，同时使用双滤波器，可以把系统的扰动抑制能力提升两倍。制能力提升两倍。制能力提升两倍。

【技术实现步骤摘要】
一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法


[0001]本专利技术属于控制系统领域，具体涉及一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法，主要用于在不改变跟踪特性和稳定性的条件下，提升闭环非最小相位系统的扰动抑制能力。

技术介绍

[0002]在控制系统中，除了常见的最小相位系统，还广泛存在本身稳定，但是包含非最小相位环节的非最小相位系统，比如滞后系统，磨削电路系统和直流电机等。非最小相位系统由于其控制性能存在非最小相位环节的基本限制，而难以进行控制。闭环非最小相位系统的扰动抑制特性局限于单闭环系统本身，扰动抑制能力不足。为了进一步抑制系统扰动，有学者尝试在非最小相位系统中引入扰动观测器方法。根据文献《A New Disturbance Observer for Non
‑
minimum Phase Linear Systems》，传统的扰动观测器方法用于非最小相位系统时，由于逆向模型不可或缺，将导致系统存在不稳定的极点，使得系统无法稳定，失去扰动抑制效果，甚至引发系统崩溃。在此文献中，也提出了一种用于非最小相位系统的扰动观测器方法，但是其方法对非最小相位对象进行了改造，必然会影响闭环非最小相位系统原本的跟踪特性和稳定性。在文献《An approximate inverse system for nonminimum
‑
phase systems and its application to disturbance observer》中，被提出的扰动观测器仅限于对扰动的估计而不考虑闭环系统的稳定性，局限性很大。因此，为了在不改变闭环非最小相位系统的跟踪特性和稳定性的条件下，进一步提升系统的扰动抑制能力，需要提出新的扰动观测器结构和相应的滤波器设计方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出了一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法，本方法引入了正向模型，对双滤波器扰动观测器进行了稳定性分析，通过稳定性约束保证了系统的稳定性。在保证系统稳定的基础上，本文给出了双滤波器的设计方案。滤波器一采用原有闭环控制器的设计，滤波器二根据滤波器一进行设计，并实现与滤波器一相同的性能。本专利技术在不改变闭环系统跟踪特性和稳定性的条件下，使用双滤波器扰动观测器将闭环非最小相位系统的扰动抑制能力提升两倍。
[0004]为实现本专利技术的目的，本专利技术提供一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法，其方法步骤如下：
[0005]步骤(1)：在含有不稳定零点的非最小相位系统中，针对已知的非最小相位对象G(s)，建立正向模型如下：
[0006][0007]其中N(s)和D(s)是G(s)的最小相位部分，即N(s)＝0和D(s)＝0的根全部在s平面
的左半平面；是G(s)的非最小相位部分，的根ξ
i
全部在s平面的右半平面，即Re(ξ
i
)>0。对于非最小相位的纯滞后环节e
‑
τs
，可以一阶近似为e
‑
τs
≈(2
‑
τs)/(2+τs)，其中τ>0代表滞后时间，同样满足非最小相位对象的定义。
[0008]真实非最小相位对象G(s)与正向模型之间的数学关系表示为其中表示对象的内部扰动。非最小相位对象G(s)的闭环控制器C(s)可以根据现有任意方法或工具进行设计，构成稳定的单闭环系统；
[0009]步骤(2)：将传感器的输出与模型的输出做差，差值被认为是扰动观测器估计到的总扰动，包括系统外界的外部扰动和对象与模型之间的内部扰动；
[0010]步骤(3)：进行双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)的稳定性分析，稳定性约束条件如下：
[0011][0012]步骤(4)：在保证系统稳定性的基础上，分析包含双滤波器扰动观测器的闭环非最小相位系统的跟踪特性TTF(s)表示如下：
[0013][0014]因此双滤波器扰动观测器不改变闭环非最小相位系统原本的跟踪特性和稳定性；
[0015]步骤(5)：在保证系统稳定性的基础上，分析包含双滤波器扰动观测器的闭环非最小相位系统的扰动抑制特性DTF(s)表示如下：
[0016][0017]从而滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)可以同时工作，共同抑制扰动；
[0018]步骤(6)：令滤波器二Q2(s)＝0，此时双滤波器扰动观测器系统的扰动抑制特性表示为：
[0019][0020]因此，滤波器一Q1(s)和闭环控制器C(s)在扰动抑制方面有相同处境，进而设计双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)＝C(s)，满足稳定性约束，通过滤波器一Q1(s)将估计到
的总扰动反相前馈到驱动回路，对系统的扰动进行抑制，使得非最小相位系统的扰动抑制能力提升一倍；
[0021]步骤(7)：令滤波器二Q2(s)≠0，在设计好的滤波器一Q1(s)的基础上，设计双滤波器扰动观测器的滤波器二将估计到的总扰动反相前馈到驱动回路，对系统的扰动进行抑制，使得非最小相位系统的扰动抑制能力提升两倍；
[0022]步骤(8)：在闭环非最小相位系统的基础上，使用双滤波器扰动观测器方法进行扰动抑制，可以不改变系统的跟踪特性和稳定性；滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)中的任意一个单独工作，可以将闭环非最小相位系统的扰动抑制能力提升一倍；滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时工作，可以将闭环非最小相位系统的扰动抑制能力提升两倍。
[0023]本专利技术与现有技术相比具有如下优点：
[0024](1)相比于非最小相位系统的单闭环控制方法，本专利技术中的双滤波器可以单独工作，将系统的扰动抑制能力提升一倍；
[0025](2)相比于非最小相位系统的单闭环控制方法，本专利技术中的双滤波器可以同时工作，将系统的扰动抑制能力提升两倍；
[0026](3)相比于在改变非最小相位对象的扰动观测器方法，本专利技术可以不改变非最小相位对象，且不改变闭环系统原本的跟踪特性和稳定性，并有效抑制扰动；
[0027](4)本专利技术的双滤波器设计思路简单明了，易于实现，能有效地抑制更多扰动，实用性好，效果明显。
附图说明
[0028]图1是本专利技术的一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法的控制框图。
[0029]图2是在闭环非最小相位系统中使用本专利技术后的系统跟踪特性对比图。
[0030]图3是在非最小相位系统中使用本专利技术后的系统开环特性对比图。
[0031]图4是在闭环非最小相位系统中使用本专利技术后的系统扰动抑制特性对比图。
具体实施方式
[0032]以下结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明。
[0033]如图1所示是一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法的控制框图，其中G(s)是非最小相位对象，C(s)是闭环控制器，R(s)是系统输入信号，D(s)是外界扰动，Y(s)是系统输出，是本专利技术中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：在含有不稳定零点的非最小相位系统中，针对已知的非最小相位对象G(s)，建立正向模型并设计闭环控制器C(s)，构成稳定的单闭环系统；步骤(2)：将传感器的输出与模型的输出做差，差值被认为是扰动观测器估计到的总扰动；步骤(3)：进行双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来保证系统的稳定性；步骤(4)：在保证系统稳定性的基础上，分析包含双滤波器扰动观测器的闭环非最小相位系统的跟踪特性；步骤(5)：在保证系统稳定性的基础上，分析包含双滤波器扰动观测器的闭环非最小相位系统的扰动抑制特性；步骤(6)：令滤波器二Q2(s)＝0，设计双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)，将估计到的总扰动反相前馈到驱动回路，对系统的扰动进行抑制；步骤(7)：令滤波器二Q2(s)≠0，在设计好的滤波器一Q1(s)的基础上，设计双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)，将估计到的总扰动反相前馈到驱动回路，对系统的扰动进行抑制；步骤(8)：在闭环非最小相位系统的基础上，使用双滤波器扰动观测器方法进行扰动抑制，可以不改变系统的跟踪特性和稳定性；滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)中的任意一个单独工作，可以将闭环非最小相位系统的扰动抑制能力提升一倍；滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时工作，可以将闭环非最小相位系统的扰动抑制能力提升两倍。2.根据权利要求1所述的一种非最小相位系统的双滤波器扰动观测器设计方法，其特征在于：步骤(1)中的非最小相位对象G(s)的正向模型表示如下：其中N(s)和D(s)是G(s)的最小相位部分，即N(s)＝0和D(s)＝0的根全部在s平面的左半平面；是G(s)的非最小相位部分，的根ξ
i
全部在s平面的右半平面，即Re(ξ
i
)>0，对于非最小相位的纯滞后环节e
‑
τs
，可以一阶近似为e
‑
τs
≈(2
‑
τs)/(2+τs)，其中τ>0代表滞后时间，同样满足非最小相位对象的定义；真实非最小相位对象G(s)与正向模型之间的数学关系表示为其中表示对象的内部扰动，非最小相位对象G(s)的闭环控制器C...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛耀，邓久强，张超，任戈，谭毅，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：