一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法技术

一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法，针对多源干扰非线性系统，设计一种抗干扰非线性控制器。本发明专利技术包括以下步骤：首先，建立多源干扰系统的非线性数学模型；其次，设计非线性干扰观测器估计系统中的等价干扰；再次，将由非线性干扰观测器得到的等价干扰估计值代入指令滤波反步控制器中，构造抗干扰指令滤波反步控制器；最后，通过极点配置方法设计保证闭环复合误差系统渐近稳定的指令滤波反步控制器增益和非线性干扰观测器增益。本发明专利技术所述的控制方法抗干扰能力强，可用于飞行器、机械臂、生化过程和船舶等系统的抗干扰控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，该方法是一种非线性系统抗干扰控制方法，可用于飞行器、机械臂、生化过程、船舶等系统的抗干扰控制。
技术介绍
反步法是20世纪90年代兴起的一种系统的非线性控制方法，“反步”反映出了设计步骤的递归特性。其基本设计思想是将复杂的高阶非线性系统划分为多个低阶子系统，从最远离系统控制输入的子系统开始，通过构造部分Lyapunov函数得到保证子系统稳定的虚拟控制量，并逐步后退到控制输入，从而得到最终的控制器，在此过程中全系统的Lyapunov函数也相继被构造出来。反步法在控制器设计中的优势在于能够通过多种方法灵活处理不同的非线性特性，实现闭环系统的全局调节或渐近跟踪，使系统达到期望的性能指标。针对反步法存在当系统阶次较高时计算虚拟控制量的偏导数会出现微分爆炸的缺点，研究人员进一步提出了指令滤波反步控制方法。通过低通滤波器产生指令信号及其导数，消除了对虚拟控制信号求偏导数而带来复杂的解析计算；进一步加入虚拟控制信号的各种物理约束(如，幅值、速率和带宽限制等)满足实际系统对控制的需求。此外，指令滤波反步法的另一个优势是消除了反步法要求非线性系统必须满足下三角形构型的限制。实际环境中由于测量手段、器部件精度、外部环境等因素的限制无法得到系统精确的数学模型，同时各种干扰及噪声广泛地存在于系统的控制和量测过程中。复杂环境下的实际系统一般可以描述为一类包含有参数不确定、未建模动态和外部干扰等多源干扰的非线性数学模型。指令滤波反步控制方法是基于模型的控制方法，需要系统模型精确已知；由于实际系统中存在多源干扰，致使指令滤波反步控制方法的控制效果变差，甚至无法保证闭环系统的稳定性。现有的基于干扰观测器的反馈控制方法通过在反馈控制律上减去干扰估计值实现，因此其缺点在于只能补偿与控制输入相同通道的等价干扰，即干扰与控制输入匹配的情况。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是:针对含有多源干扰的非线性系统的控制问题，克服现有方法的不足，提供，补偿系统中多源干扰的等价干扰，保证闭环系统的稳定性，提高系统的控制精度。本专利技术的技术解决方案为:，其特征在于包括以下步骤:步骤1:建立多源干扰系统的非线性数学模型根据指令滤波反步法递归设计和干扰观测器整体设计两种不同的设计需求，将多源干扰系统的非线性数学模型表示为两种不同的数学描述形式；第一种是子 系统描述形式，如下式所示:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：建立多源干扰系统的非线性数学模型根据指令滤波反步法递归设计和干扰观测器整体设计两种不同的设计需求，将多源干扰系统的非线性数学模型表示为两种不同的数学描述形式；第一种是子系统描述形式，如下式所示：Ξ1:x.1=f1(x)+g1(x)x2+d1...x.n-1=fn-1(x)+gn-1(x)xn+dn-1x.n=fn(x)+gn(x)u+dn上述微分方程组Ξ1中每一项状态方程各自表示一个子系统，其中，xi为系统状态变量，i＝1，...，n，x＝(x1，...，xn)T代表系统状态向量，fi(x)和gi(x)是系统状态向量x的连续函数，u代表系统控制输入信号，d1，...，dn代表每个子系统中参数不确定、未建模动态和外部干扰三类干扰的等价干扰；第二种是状态空间描述形式，如下式所示：Ξ2:x.=H(x)+Z(x)u+d其中，H(x)∈Rn和Z(x)∈Rn是系统状态向量x的连续非线性函数向量，Rn表示n维实数集，d代表系统的等价干扰向量，d＝(d1，...，dn)T；步骤2：设计非线性干扰观测器估计系统中的等价干扰针对步骤1中建立的状态空间描述形式Ξ2中存在的等价干扰向量d，构造非线性干扰观测器为：w.=-L(x)w-L(x)(p(x)+H(x)+Z(x)u)d^=w+p(x)是等价干扰向量d的估计值，分别是子系统中的等价干扰d1，...，dn的估计值，w∈Rn是非线性干扰观测器的状态，p(x)∈Rn是 待设计的非线性函数向量，L(x)是非线性干扰观测器的增益矩阵，二者满足如下关系：L(x)=-∂p(x)∂x=diag{l1,...,ln}li，i＝1，...，n是非线性干扰观测器的增益，diag{}表示对角块，在干扰有界以及干扰变化率是慢时变的条件下，即时，干扰观测器的估计误差方程可以表示为：e.=L(x)e其中，估计误差向量e＝(e1，...，en)T，估计误差i＝1，...，n；步骤3：将由非线性干扰观测器得到的等价干扰估计值代入指令滤波反步控制器中，构造抗干扰指令滤波反步控制器针对步骤1中建立的子系统描述形式Ξ1，为使子系统的状态变量xi在等价干扰di存在的情况下能够渐进跟踪参考信号xi，c，即跟踪误差zi＝xi?xi，c渐进稳定，构造子系统的虚拟控制量为：ai=1gi(x)(-cizi-fi(x)+x.i,c-gi-1(x)vi-1-d^i)ci为虚拟控制量的增益，等价干扰di的估计值作为补偿项代入了虚拟控制量ai中，vi为补偿跟踪误差，xi，c和为前一级子系统的虚拟控制量ai?1经过指令滤波器Ξ3产生的输出，指令滤波器的状态空间和输出分别可以表示为：Ξ3:q.i,1=qi,2q.i,2=2ζωi(Si,v(ωi22ζωi(Si,M(ai-1)-qi,1))-qi,2),xi,1=qi,1x.i=qi,2其中，qi，1和qi，2是指令滤波器的状态变量，ωi和ζ分别是指令滤波器的固有频率和阻尼比，ζ＝0.707，Si，M()和Si，V()分别代表幅值和速率限制函数；经过逐步递推形成的虚拟控制量{a1，...，an}的集合即组成抗干扰指令滤波反步控制器，系统的控制输入信号u＝an，特别的，xi，c和为给定的参考 输入指令，g0(x)＝0、v0＝0、ξn＝0；补偿跟踪误差vi＝zi?ξi，通过引入补偿量ξi消除指令信号饱和对于跟踪误差的影响，ξi的传递函数为s表示复变量，对补偿跟踪误差求导，得到的补偿跟踪误差方程的向量形式为：v.=C(x)v+Ee其中，C(x)=-c1g1(x)-g1(x)............gn-1(x)-gn-1(x)-cnn×n,矩阵中其他位置均为0元素，补偿跟踪误差向量v＝(v1，...，vn)T，估计误差向量e＝(e1，...，en)T，En×n为n×n维单位阵；步骤4：通过极点配置方法设计保证闭环复合误差系统渐近稳定的指令滤波反步控制器增益ci和非线性干扰观测器增益li将步骤3中指令滤波反步控制器的补偿跟踪误差方程和步骤2中非线性干扰观测器的估计误差方程联立得到闭环复合误差系统为：v.e.=C(x)E0L(x)ve,A(x)=C(x)E0L(x)2n×2n其中，A(x)为闭环复合误差系统的系统矩阵，用极点配置的方法通过将系统矩阵A(x)的特征根配置到复平面左半开平面[?10，?100]之...

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1:建立多源干扰系统的非线性数学模型 根据指令滤波反步法递归设...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，卢昊，王娜，乔建忠，罗建军，
申请(专利权)人：郭雷，
类型：发明
国别省市：