基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法及系统，方法包括：线性自抗扰控制器获取输入信号及扩张状态观测器的各个输出状态，输出第一控制信号；线性自抗扰控制器获取输入信号及扩张状态观测器的各个输出状态，输出第一控制信号；构建扩张状态观测器对输出位移的估计误差模型，将被控对象转化为积分器串联型形式，基于被控对象得到输出位移信号；将输出位移信号及控制输入信号输入至扩张状态观测器，得到各个输出状态；进而反馈至线性自抗扰控制器及输出位移模型中。本发明专利技术无需增加观测器带宽的前提下，大幅提升了观测器的估计能力；将误差补偿型扰动观测器与自抗扰控制相结合，进一步提升了自抗扰控制的跟踪性能。的跟踪性能。的跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】
基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及控制
，尤其涉及一种基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法及系统。

技术介绍

[0002]由压电致动器驱动的纳米定位台是精密工程中的核心器件，被广泛应用于原子力显微镜、微纳制造和精密伺服系统中。随着纳米技术的快速发展，实际需求对纳米定位台精度和响应速度的要求不断提高。然而，压电材料自身固有的迟滞和蠕变非线性特性严重影响了纳米定位台的精度。此外，平台自身的低阻尼特性使得输入信号极易激发纳米定位台的低阶谐振模态，导致输出位移出现振荡。迟滞效应和机械谐振在高频段耦合，导致定位精度进一步下降。尽管由压电致动器驱动的纳米定位台具有响应速度快、无摩擦、定位分辨率高等优势，上述问题的存在严重阻碍了性能的进一步提升。
[0003]目前被广泛采用的线性扩张状态状态观测器存在的主要问题在于：当系统的总扰动完全未知时，观测器对系统状态和扰动的估计能力严重依赖于观测器带宽。然而提高观测器带宽将导致系统噪声水平下降，并降低系统的稳定裕度。因此，如何在观测器带宽受限情况下提高其估计性能是亟待解决的问题。从控制系统的角度解决以上问题对于纳米定位台的实际应用具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的缺点，提供了一种基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法及系统。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：
[0006]一种基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法，包括以下步骤：
[0007]线性自抗扰控制器获取输入信号及扩张状态观测器的各个输出状态，输出第一控制信号；
[0008]构建扩张状态观测器对输出位移的估计误差模型，基于第一控制信号、全扰动信号和扩张状态观测器的估计误差，将被控对象转化为积分器串联型形式，基于所述被控对象得到输出位移信号；
[0009]将所述输出位移信号及控制输入信号输入至扩张状态观测器，输出扩张状态观测器的各个输出状态；
[0010]将所述各个输出状态反馈至所述线性自抗扰控制器及输出位移模型中。
[0011]作为一种可实施方式，所述扩张状态观测器对位移的估计误差模型，构建过程包括以下步骤：
[0012]获取第一控制信号及全扰动信息，确定纳米定位台的输出位移；
[0013]基于所述输出位移、系统阶数以及第三控制信号，构建相应的扩张状态观测器，并得到扩张状态观测器的相关参数及带宽；
[0014]将纳米定位台的输出位移与扩张状态观测器的第一估计状态相结合，得到扩张状态观测器关于第一状态的估计误差；
[0015]将所述第一状态的估计误差与第一控制信号相结合得到第二控制信号；
[0016]将第二控制信号与全扰动信号相结合，得到第三控制信号；
[0017]将所述扩张状态观测器的所有状态的误差方程组进行拉普拉斯变换，得到扩张状态观测器的第一状态估计误差的频域表达式。
[0018]作为一种可实施方式，所述输出位移模型表示为：y
(n)
＝f+bu
[0019]其中，y表示输出位移，u表示第一控制信号，f表示全扰动信息，b为第一控制信号的增益。
[0020]作为一种可实施方式，将线性自抗扰控制器的实际状态定义为输出位移及位移的各阶导数，表示为x1＝y,...,x
n
＝y
(n
‑
1)
,x
n+1
＝f
[0021]则相应的扩张状态观测器表示为：
[0022][0023]其中，z
i
(i＝1...n+1)为扩张状态观测器的各个输出状态，表示扩张状态观测器的参数，ω
o
表示扩张状态观测器的带宽，u表示第一控制信号，当ω
o
接近预设阈值时，扩张状态观测器的各个输出状态接近线性自抗扰控制器的实际状态，即z
i
→
x
i
(i＝1...n)。
[0024]作为一种可实施方式，假设第一控制信号表示为：
[0025][0026]结合输出位移模型得到第一输出位移，所述第一输出位移表示为：
[0027][0028]则输出位移对应的第一扩张状态观测器的误差表示为：
[0029][0030]将扩张状态观测器对第一状态估计误差进行拉普拉斯变换，得到扩张状态观测器的观测误差：
[0031]其中，E1(s)和D1(s)分别是e1和d1的拉普拉斯变换，l
n
e1是残余扰动d1的低频近似。
[0032]作为一种可实施方式，所述线性自抗扰控制器表示为：
[0033]u1＝k1(r
‑
z1)
‑
k2z2‑
...
‑
k
n
z
n
[0034]其中，k
i
(i＝1...n)为线性自抗扰控制器的控制参数。
[0035]作为一种可实施方式，假设第二输出位移表示为：
[0036]则线性自抗扰控制器表示为：u＝(k
p
(r
‑
z1)
‑
k
d
z2)/b
[0037]其中，k
d
＝2ω
c
，ω
c
表示控制带宽，扰动d采用方波信号，b表示第一控制信
号的增益。
[0038]一种基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制系统，包括第一模块、第二模块、第三模块及第四模块；
[0039]所述第一模块，被设置为：线性自抗扰控制器获取输入信号及扩张状态观测器的各个输出状态，输出第一控制信号；
[0040]所述第二模块，用于构建扩张状态观测器对输出位移的估计误差模型，基于第一控制信号、全扰动信号和扩张状态观测器的估计误差，将被控对象转化为积分器串联型形式，基于所述被控对象得到输出位移信号；
[0041]所述第三模块，用于将所述输出位移信号及控制输入信号输入至扩张状态观测器，输出扩张状态观测器的各个输出状态；
[0042]所述第四模块，用于将所述各个输出状态反馈至所述线性自抗扰控制器及输出位移模型中。
[0043]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。
[0044]一种基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法。
[0045]本专利技术由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
[0046]本专利技术无需增加观测器带宽的前提下，大幅提升了观测器的估计能力；将误差补偿型扰动观测器与自抗扰控制相结合，进一步提升了自抗扰控制的跟踪性能。
附图说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：线性自抗扰控制器获取输入信号及扩张状态观测器的各个输出状态，输出第一控制信号；构建扩张状态观测器对输出位移的估计误差模型，基于第一控制信号、全扰动信号和扩张状态观测器的估计误差，将被控对象转化为积分器串联型形式，基于所述被控对象得到输出位移信号；将所述输出位移信号及控制输入信号输入至扩张状态观测器，输出扩张状态观测器的各个输出状态；将所述各个输出状态反馈至所述线性自抗扰控制器及输出位移模型中。2.根据权利要求1所述基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器对位移的估计误差模型，构建过程包括以下步骤：获取第一控制信号及全扰动信息，确定纳米定位台的输出位移；基于所述输出位移、系统阶数以及第三控制信号，构建相应的扩张状态观测器，并得到扩张状态观测器的相关参数及带宽；将纳米定位台的输出位移与扩张状态观测器的第一估计状态相结合，得到扩张状态观测器关于第一状态的估计误差；将所述第一状态的估计误差与第一控制信号相结合得到第二控制信号；将第二控制信号与全扰动信号相结合，得到第三控制信号；将所述扩张状态观测器的所有状态的误差方程组进行拉普拉斯变换，得到扩张状态观测器的第一状态估计误差的频域表达式。3.根据权利要求1所述基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法，其特征在于，所述输出位移模型表示为：y
(n)
＝f+bu其中，y表示输出位移，u表示第一控制信号，f表示全扰动信息，b为第一控制信号的增益。4.根据权利要求1所述基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方法，其特征在于，将线性自抗扰控制器的实际状态定义为输出位移及位移的各阶导数，表示为x1＝y,...,x
n
＝y
(n
‑
1)
,x
n+1
＝f则相应的扩张状态观测器表示为：其中，z
i
(i＝1...n+1)为扩张状态观测器的各个输出状态，表示扩张状态观测器的参数，ω
o
表示扩张状态观测器的带宽，u表示第一控制信号，当ω
o
接近预设阈值时，扩张状态观测器的各个输出状态接近线性自抗扰控制器的实际状态，即z
i
→
x
i
(i＝
1...n)。5.根据权利要求2所述基于误差补偿型扩张状态观测器的自抗扰控制方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琛，陈远流，居冰峰，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：