自抗扰控制技术伺服系统控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种自抗扰控制技术伺服系统控制方法，旨在提供一种算法简单、参数适应性广，伺服系统跟踪动态误差小，并保持标准ADRC控制系统抗扰动能力特点的方法。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现，首先用一个指令微分器ComD代替标准自抗扰控制算法中安排过渡过程的跟踪微分器TD，由ComD提取到新位置指令值w1、新速度指令值w2和新加速度指令值w3。继续采用标准自抗扰算法中的扩张状态观测器ESO，计算出系统位置观测值z1，速度观测值z2和加速度观测值z3。由w1和z1构成位置误差e1，由w2和z2构成速度误差e2，e1和e2送到非线性调节器（NLSEF），w3与NLSEF的输出量u0相加，使w3成为前馈量，构成改进的自抗扰控制技术的伺服系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可以广泛应用于工业控制领域的非线性控制算法ADRC - ActiveDisturbance Rejection Control),特别是对于应用在自抗扰控制技术的伺服系统控制方法。
技术介绍
自抗扰控制技术(ADRC)是由中科院系统所韩京清研究员及其领导的科研小组经过十多年不懈努力而创立的一套新的控制方法。该技术将被控对象中的内部动态和外部干扰，综合为系统所受的未知干扰，并通过设计扩张状态观测器ESO对其状态进行总体的 实时估计，同时采用非线性反馈加以补偿。ADRC不依赖于对象模型，同时在反馈中合理引用非线性特性，提高了系统的抗干扰性和鲁棒性，具有较大的应用范围。自抗扰控制(ADRC)是从PID控制的演变过来，吸取了经典PID “基于误差来消除误差”的控制策略。自抗扰控制器主要是由扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律组成。扩张状态观测器是用来估计对象状态和不确定扰动作用，其作用是给出对象状态变量估计值及系统模型和外扰实时总和作用的估计值，估计的扰动项包括了系统的内扰和外扰，即系统的总扰动，估计值作为补偿来抵消估计出来的总扰动，从而实现“自抗扰”。然后利用非线性调节器将系统转化成“积分器串联型”的对象进行控制，补偿后的系统就会变成确定性的简单积分串联型或简单线性系统。ADRC非线性控制方法的控制效果比经典的PID控制方法有明显进步，主要表现在对阶跃指令可以按最快速响应，并且超调量极小，同时对系统的扰动具有很好的抵抗能力。对此技术，韩京清研究员写了一本专著，由国防工业出版社2008年9月出版，名为《自抗扰控制技术》。但是，标准的ADRC控制系统的跟随性能却不好。这里所谓标准的ADRC控制系统，是指按照韩京清在《自抗扰控制技术》书中所用方法设计的系统，它由安排过渡过程的跟踪微分器(TD)，扩张状态观测器(ESO)以及由离散系统最速控制综合函数(fhan(xl，x2，r，h0))作为非线性调节器而构成的数字闭环控制系统。函数fhan(xl,x2,r, h0)是韩京清专利技术的一种算法，用于计算出离散控制系统最快速到达指令位置所需要的加速度值，其中Xl是位置参数，x2是速度参数，r限定的最大加速度值，h0是调节的时间量。韩京清研究员在其专著《自抗扰控制技术》第174页中说，“因此调节问题和随动问题从误差方程来看只是常值扰动与时变扰动的区分，从克服扰动作用的角度看没有必要把它们区分为两个不同问题，即调节问题和随动问题是可以不加区分地统一处理”。但是，用标准ADRC控制方法构成的伺服系统动态误差较大。当输入的位置指令值随时间变化时，在相同的时刻比较，标准ADRC控制方法构成的伺服系统的位置输出值不等于位置指令值，即使输入的位置指令值是恒速度信号，输出位置值与输入相比也有固定误差，如果输入位置指令值的速度还有变化，误差将会更大，只有输入位置指令值不变化时，误差才为零。仿真分析可证明上述现象，这说明标准ADRC技术仅适合对调节系统控制，不适合伺服(随动)系统的控制。如图I是用标准ADRC技术构成的伺服系统框图，它由跟踪微分器(TD)，扩张状态观测器(ESO)和非线性调节器(NLSEF)以及被控对象组成，参见《自抗扰控制技术》P259，这里的非线性调节器是使用fhan(xl，x2，r，h0)的调节器。为了便于说明问题，可以建立一个标准ADRC控制的仿真模型,采用MathWorks公司matlab软件的动态仿真系统simulink对系统实现仿真分析。仿真的结果是，系统输出的位置测量值y相对于系统的输入位置指令值V有较大滞后。按照经典自动控制系统的分类，I型系统对于恒速度输入(斜坡)有稳态误差；2型系统对于恒加速度输入有稳态误差。仿真分析可以证明，标准ADRC控制系统对于恒速输入有稳态误差，仅相当于I型系统。下面简述标准自抗扰控制技术ADRC算法。ADRC算法的输入是系统的输入位置指令值V和系统输出的位置测量值y，算法的输出是自抗扰算法的输出量U。先定义函数fhan (xl, x2, r, hO)的如下,其原型见《自抗扰控制技术》第69页。fhan (xl, x2, r, hO)是离散控制系统最速控制综合函数，xl是位置参数，x2是速度参数，r是限定的最大加速度值，hO是调节的时间量，fhan的输出是离散控制系统最快速到达指令位置所需要的加速度值。权利要求1.一种，其特征在于包括如下步骤 (1)在标准自抗扰算法基础上，用一个指令微分器ComD代替标准自抗扰控制算法中安排过渡过程的跟踪微分器TD，ComD根据系统的输入位置指令值V计算出新位置指令值wl、新速度指令值《2和新加速度指令值《3，再使用扩张状态观测器ESO得到系统位置观测值zl,速度观测值z2和加速度观测值z3后，新位置指令值wl和位置观测值zl构成了位置误差el，新速度指令值《2和速度观测值z2构成了速度误差e2，将el和e2作为输入变量送到非线性调节器NLSEF中； (2)ComD将提取的新加速度指令值w3直接前馈，与非线性调节器的输出量uO相加，再减去z3，并除以被控对象增益bO后，作用于被控对象，使被控对象向着要求的方向运动，伺服系统的ADRC算法输出U=(u0+w3-z3)/bO 式中，uO为非线性调节器的输出量，z3为系统的加速度观测值，bO是被控对象增益，u为上述改进方法的输出量； (3)在下一个周期时刻，ComD又根据V计算出wl、w2和w3,y被测量,经过扩张状态观测器ESO计算出系统位置观测值zl、速度的观测值z2和加速度观测值z3，重新得到新的控制量uO和非线性调节器输出控制量U，如此循环往复，形成自抗扰控制技术的伺服控制闭环系统。2.如权利要求I所述的，其特征在于，ComD的算法采用3.如权利要求I所述的，其特征在于，保留标准自抗扰技术中的“扩张状态观测器” ESO的算法是4.如权利要求2或3所述的，其特征在于，把由ESO算法构成的指令微分器称为“指令ESO微分器” ComD_ES0,由此得到的wl，w2和w3计算形式为5.如权利要求I所述的，其特征在于，采用函数fhan作为非线性调节器NLSEF，6.如权利要求I所述的，其特征在于，伺服系统自抗扰控制技术的改进算法improved_ADRC为，7.如权利要求I所述的自抗扰控制伺服系统控制方法，其特征在于，将ComD_ES0替代改进算法improved_ADRC中的ComD,得到一个具体实现的伺服系统ADRC算法improved_ADRC_1，构成伺服系统自抗扰控制技术的改进算法形式如下全文摘要本专利技术提出一种，旨在提供一种算法简单、参数适应性广，伺服系统跟踪动态误差小，并保持标准ADRC控制系统抗扰动能力特点的方法。本专利技术通过下述技术方案予以实现，首先用一个指令微分器ComD代替标准自抗扰控制算法中安排过渡过程的跟踪微分器TD，由ComD提取到新位置指令值w1、新速度指令值w2和新加速度指令值w3。继续采用标准自抗扰算法中的扩张状态观测器ESO，计算出系统位置观测值z1，速度观测值z2和加速度观测值z3。由w1和z1构成位置误差e1，由w2和z2构成速度误差e2，e1和e2送到非线性调节器(NLSEF)，w3与NLSEF的输出量u0相加，使w3成为前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自抗扰控制技术伺服系统控制方法，其特征在于包括如下步骤：（1）在标准自抗扰算法基础上，用一个指令微分器ComD代替标准自抗扰控制算法中安排过渡过程的跟踪微分器TD，ComD根据系统的输入位置指令值v计算出新位置指令值w1、新速度指令值w2和新加速度指令值w3，再使用扩张状态观测器ESO得到系统位置观测值z1,速度观测值z2和加速度观测值z3后，新位置指令值w1和位置观测值z1构成了位置误差e1,新速度指令值w2和速度观测值z2构成了速度误差e2,将e1和e2作为输入变量送到非线性调节器NLSEF中；（2）ComD将提取的新加速度指令值w3直接前馈，与非线性调节器的输出量u0相加，再减去z3，并除以被控对象增益b0后，作用于被控对象，使被控对象向着要求的方向运动，伺服系统的ADRC算法输出：u=(u0+w3？z3)/b0式中，u0为非线性调节器的输出量，z3为系统的加速度观测值，b0是被控对象增益，u为上述改进方法的输出量；（3）在下一个周期时刻，ComD又根据v计算出w1、w2和w3，y被测量，经过扩张状态观测器ESO计算出系统位置观测值z1、速度的观测值z2和加速度观测值z3，重新得到新的控制量u0和非线性调节器输出控制量u，如此循环往复，形成自抗扰控制技术的伺服控制闭环系统。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏，唐茂华，周新良，米文龙，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：