專利名稱：自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的非線性控制算法ADRC - ActiveDisturbance Rejection Control),特別是對(duì)于應(yīng)用在自抗擾控制技術(shù)的伺服系統(tǒng)控制方法。
背景技術(shù)：
自抗擾控制技術(shù)(ADRC)是由中科院系統(tǒng)所韓京清研究員及其領(lǐng)導(dǎo)的科研小組經(jīng)過十多年不懈努力而創(chuàng)立的一套新的控制方法。該技術(shù)將被控對(duì)象中的內(nèi)部動(dòng)態(tài)和外部干擾，綜合為系統(tǒng)所受的未知干擾，并通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行總體的 實(shí)時(shí)估計(jì)，同時(shí)采用非線性反饋加以補(bǔ)償。ADRC不依賴于對(duì)象模型，同時(shí)在反饋中合理引用非線性特性，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性，具有較大的應(yīng)用范圍。自抗擾控制(ADRC)是從PID控制的演變過來，吸取了經(jīng)典PID “基于誤差來消除誤差”的控制策略。自抗擾控制器主要是由擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律組成。擴(kuò)張狀態(tài)觀測器是用來估計(jì)對(duì)象狀態(tài)和不確定擾動(dòng)作用，其作用是給出對(duì)象狀態(tài)變量估計(jì)值及系統(tǒng)模型和外擾實(shí)時(shí)總和作用的估計(jì)值，估計(jì)的擾動(dòng)項(xiàng)包括了系統(tǒng)的內(nèi)擾和外擾，即系統(tǒng)的總擾動(dòng)，估計(jì)值作為補(bǔ)償來抵消估計(jì)出來的總擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)“自抗擾”。然后利用非線性調(diào)節(jié)器將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成“積分器串聯(lián)型”的對(duì)象進(jìn)行控制，補(bǔ)償后的系統(tǒng)就會(huì)變成確定性的簡單積分串聯(lián)型或簡單線性系統(tǒng)。ADRC非線性控制方法的控制效果比經(jīng)典的PID控制方法有明顯進(jìn)步，主要表現(xiàn)在對(duì)階躍指令可以按最快速響應(yīng)，并且超調(diào)量極小，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)具有很好的抵抗能力。對(duì)此技術(shù)，韓京清研究員寫了一本專著，由國防工業(yè)出版社2008年9月出版，名為《自抗擾控制技術(shù)》。但是，標(biāo)準(zhǔn)的ADRC控制系統(tǒng)的跟隨性能卻不好。這里所謂標(biāo)準(zhǔn)的ADRC控制系統(tǒng)，是指按照韓京清在《自抗擾控制技術(shù)》書中所用方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，它由安排過渡過程的跟蹤微分器(TD)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)以及由離散系統(tǒng)最速控制綜合函數(shù)(fhan(xl，x2，r，h0))作為非線性調(diào)節(jié)器而構(gòu)成的數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。函數(shù)fhan(xl,x2,r, h0)是韓京清發(fā)明的一種算法，用于計(jì)算出離散控制系統(tǒng)最快速到達(dá)指令位置所需要的加速度值，其中Xl是位置參數(shù)，x2是速度參數(shù)，r限定的最大加速度值，h0是調(diào)節(jié)的時(shí)間量。韓京清研究員在其專著《自抗擾控制技術(shù)》第174頁中說，“因此調(diào)節(jié)問題和隨動(dòng)問題從誤差方程來看只是常值擾動(dòng)與時(shí)變擾動(dòng)的區(qū)分，從克服擾動(dòng)作用的角度看沒有必要把它們區(qū)分為兩個(gè)不同問題，即調(diào)節(jié)問題和隨動(dòng)問題是可以不加區(qū)分地統(tǒng)一處理”。但是，用標(biāo)準(zhǔn)ADRC控制方法構(gòu)成的伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差較大。當(dāng)輸入的位置指令值隨時(shí)間變化時(shí)，在相同的時(shí)刻比較，標(biāo)準(zhǔn)ADRC控制方法構(gòu)成的伺服系統(tǒng)的位置輸出值不等于位置指令值，即使輸入的位置指令值是恒速度信號(hào)，輸出位置值與輸入相比也有固定誤差，如果輸入位置指令值的速度還有變化，誤差將會(huì)更大，只有輸入位置指令值不變化時(shí)，誤差才為零。仿真分析可證明上述現(xiàn)象，這說明標(biāo)準(zhǔn)ADRC技術(shù)僅適合對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，不適合伺服(隨動(dòng))系統(tǒng)的控制。如圖I是用標(biāo)準(zhǔn)ADRC技術(shù)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)框圖，它由跟蹤微分器(TD)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)和非線性調(diào)節(jié)器(NLSEF)以及被控對(duì)象組成，參見《自抗擾控制技術(shù)》P259，這里的非線性調(diào)節(jié)器是使用fhan(xl，x2，r，h0)的調(diào)節(jié)器。為了便于說明問題，可以建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ADRC控制的仿真模型,采用MathWorks公司matlab軟件的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)simulink對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真分析。仿真的結(jié)果是，系統(tǒng)輸出的位置測量值y相對(duì)于系統(tǒng)的輸入位置指令值V有較大滯后。按照經(jīng)典自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類，I型系統(tǒng)對(duì)于恒速度輸入(斜坡)有穩(wěn)態(tài)誤差；2型系統(tǒng)對(duì)于恒加速度輸入有穩(wěn)態(tài)誤差。仿真分析可以證明，標(biāo)準(zhǔn)ADRC控制系統(tǒng)對(duì)于恒速輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，僅相當(dāng)于I型系統(tǒng)。下面簡述標(biāo)準(zhǔn)自抗擾控制技術(shù)ADRC算法。ADRC算法的輸入是系統(tǒng)的輸入位置指令值V和系統(tǒng)輸出的位置測量值y，算法的輸出是自抗擾算法的輸出量U。先定義函數(shù)fhan (xl, x2, r, hO)的如下,其原型見《自抗擾控制技術(shù)》第69頁。fhan (xl, x2, r, hO)是離散控制系統(tǒng)最速控制綜合函數(shù)，xl是位置參數(shù)，x2是速度參數(shù)，r是限定的最大加速度值，hO是調(diào)節(jié)的時(shí)間量，fhan的輸出是離散控制系統(tǒng)最快速到達(dá)指令位置所需要的加速度值。
權(quán)利要求
1.一種自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法，其特征在于包括如下步驟 (1)在標(biāo)準(zhǔn)自抗擾算法基礎(chǔ)上，用一個(gè)指令微分器ComD代替標(biāo)準(zhǔn)自抗擾控制算法中安排過渡過程的跟蹤微分器TD，ComD根據(jù)系統(tǒng)的輸入位置指令值V計(jì)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，再使用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO得到系統(tǒng)位置觀測值zl,速度觀測值z2和加速度觀測值z3后，新位置指令值wl和位置觀測值zl構(gòu)成了位置誤差el，新速度指令值《2和速度觀測值z2構(gòu)成了速度誤差e2，將el和e2作為輸入變量送到非線性調(diào)節(jié)器NLSEF中； (2)ComD將提取的新加速度指令值w3直接前饋，與非線性調(diào)節(jié)器的輸出量uO相加，再減去z3，并除以被控對(duì)象增益bO后，作用于被控對(duì)象，使被控對(duì)象向著要求的方向運(yùn)動(dòng)，伺服系統(tǒng)的ADRC算法輸出U=(u0+w3-z3)/bO 式中，uO為非線性調(diào)節(jié)器的輸出量，z3為系統(tǒng)的加速度觀測值，bO是被控對(duì)象增益，u為上述改進(jìn)方法的輸出量； (3)在下一個(gè)周期時(shí)刻，ComD又根據(jù)V計(jì)算出wl、w2和w3,y被測量,經(jīng)過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO計(jì)算出系統(tǒng)位置觀測值zl、速度的觀測值z2和加速度觀測值z3，重新得到新的控制量uO和非線性調(diào)節(jié)器輸出控制量U，如此循環(huán)往復(fù)，形成自抗擾控制技術(shù)的伺服控制閉環(huán)系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述的自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法，其特征在于，ComD的算法采用
3.如權(quán)利要求I所述的自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法，其特征在于，保留標(biāo)準(zhǔn)自抗擾技術(shù)中的“擴(kuò)張狀態(tài)觀測器” ESO的算法是
4.如權(quán)利要求2或3所述的自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法，其特征在于，把由ESO算法構(gòu)成的指令微分器稱為“指令ESO微分器” ComD_ES0,由此得到的wl，w2和w3計(jì)算形式為
5.如權(quán)利要求I所述的自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法，其特征在于，采用函數(shù)fhan作為非線性調(diào)節(jié)器NLSEF，
6.如權(quán)利要求I所述的自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法，其特征在于，伺服系統(tǒng)自抗擾控制技術(shù)的改進(jìn)算法improved_ADRC為，
7.如權(quán)利要求I所述的自抗擾控制伺服系統(tǒng)控制方法，其特征在于，將ComD_ES0替代改進(jìn)算法improved_ADRC中的ComD,得到一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)的伺服系統(tǒng)ADRC算法improved_ADRC_1，構(gòu)成伺服系統(tǒng)自抗擾控制技術(shù)的改進(jìn)算法形式如下
全文摘要
本發(fā)明提出一種自抗擾控制技術(shù)伺服系統(tǒng)控制方法，旨在提供一種算法簡單、參數(shù)適應(yīng)性廣，伺服系統(tǒng)跟蹤動(dòng)態(tài)誤差小，并保持標(biāo)準(zhǔn)ADRC控制系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力特點(diǎn)的方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，首先用一個(gè)指令微分器ComD代替標(biāo)準(zhǔn)自抗擾控制算法中安排過渡過程的跟蹤微分器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。繼續(xù)采用標(biāo)準(zhǔn)自抗擾算法中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO，計(jì)算出系統(tǒng)位置觀測值z1，速度觀測值z2和加速度觀測值z3。由w1和z1構(gòu)成位置誤差e1，由w2和z2構(gòu)成速度誤差e2，e1和e2送到非線性調(diào)節(jié)器(NLSEF)，w3與NLSEF的輸出量u0相加，使w3成為前饋量，構(gòu)成改進(jìn)的自抗擾控制技術(shù)的伺服系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G05B17/00GK102799113SQ201210269659
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者吳鵬, 唐茂華, 周新良, 米文龍 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所