[發(fā)明專利]一種用于電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自抗擾控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710321077.2
• 申請(qǐng)日: 2017-05-09
• 公開（公告）號(hào): CN106950839B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉瑞娟;聶卓赟;郭東生;陳玉成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門理工學(xué)院
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 廈門市精誠(chéng)新創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 35218
• 代理人: 何家富

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種自抗擾控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法。

背景技術(shù)

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，控制系統(tǒng)往往受到各種外部擾動(dòng)的影響，在力學(xué)系統(tǒng)中表現(xiàn)為斜坡擾動(dòng)力，例如飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)受持續(xù)增強(qiáng)的風(fēng)剪應(yīng)力，海洋平臺(tái)振動(dòng)控制系統(tǒng)受持續(xù)增強(qiáng)的水動(dòng)壓力，電力系統(tǒng)負(fù)載線性增加等；在熱力系統(tǒng)中可以表現(xiàn)為環(huán)境溫度線性增加；在過(guò)程控制中可以表現(xiàn)為供給流體線性增加的質(zhì)量偏差等。斜坡擾動(dòng)的存在使系統(tǒng)工作點(diǎn)發(fā)生漂移，影響控制性能，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)性能和精度要求的不斷提高，設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)斜坡擾動(dòng)的無(wú)靜差抑制具有重要作用和意義。

非最小相位系統(tǒng)廣泛存在于機(jī)器人柔性結(jié)構(gòu)控制、船舶航向控制和飛行器姿態(tài)控制等實(shí)際問(wèn)題中。由于非最小相位系統(tǒng)具有右半平面零極點(diǎn)，不滿足幅頻與相頻間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，經(jīng)典控制理論中的頻域設(shè)計(jì)和分析方法不再適用。非最小相位環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和動(dòng)態(tài)性能等產(chǎn)生不利影響，所以非最小相位系統(tǒng)的控制比最小相位系統(tǒng)要困難得多。另外由于實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性十分復(fù)雜，比如工況的變化、系統(tǒng)元件的老化、元器件的零點(diǎn)漂移和系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)等，不確定性中容易包含非最小相位特性，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制器失效。因此，包含非最小相位特性的系統(tǒng)控制問(wèn)題一直是控制領(lǐng)域廣泛關(guān)注的問(wèn)題之一。

對(duì)于系統(tǒng)的外部干擾抑制和內(nèi)部不確定性，自抗擾控制是一種有效的控制策略。它的基本思想是將模型不確定性、外部擾動(dòng)甚至非線性作為一個(gè)總擾動(dòng)，并由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器主動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，大大擺脫了對(duì)模型的依賴。擾動(dòng)補(bǔ)償后的串聯(lián)積分系統(tǒng)再通過(guò)簡(jiǎn)單的極點(diǎn)配置就可達(dá)到期望的閉環(huán)動(dòng)態(tài)。自抗擾控制最初是針對(duì)最小相位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)與系統(tǒng)性能密切相關(guān)的兩個(gè)帶寬參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了自抗擾控制的線性化和參數(shù)化，具有魯棒性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，大大促進(jìn)了自抗擾控制的發(fā)展與應(yīng)用。然而，當(dāng)對(duì)象具有非最小相位特性時(shí)，傳統(tǒng)自抗擾控制的擾動(dòng)補(bǔ)償會(huì)使系統(tǒng)回路中包含正反饋，因此針對(duì)非最小相位系統(tǒng)，需要采用特定的設(shè)計(jì)方法，例如相對(duì)階的調(diào)整、選擇合適帶寬和對(duì)象增益參數(shù)。從擾動(dòng)抑制效果來(lái)說(shuō)，雖然通過(guò)選擇合適控制器參數(shù)，自抗擾控制能實(shí)現(xiàn)階躍擾動(dòng)的無(wú)靜差抑制，但對(duì)于斜坡擾動(dòng)，無(wú)論如何調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，穩(wěn)態(tài)誤差始終存在，這便限制了自抗擾控制的工程應(yīng)用。因此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有自抗擾控制結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種新的自抗擾控制結(jié)構(gòu)，且同時(shí)適用于最小相位和非最小相位系統(tǒng)，具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種自抗擾控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法，包括如下步驟：

1)在包括有反饋控制器C(s)/s和前置濾波器F(s)且滿足和的傳統(tǒng)自抗擾控制結(jié)構(gòu)下，增加一個(gè)輸出反饋積分控制器，

其中，r為給定輸入，y為系統(tǒng)輸出；令輸出反饋積分控制器增益為k_r；

2)在所述傳統(tǒng)自抗擾控制結(jié)構(gòu)下，針對(duì)n階對(duì)象，設(shè)計(jì)n+1階全維擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器；

3)采用極點(diǎn)配置的方式，得到在步驟2)中設(shè)計(jì)的全維擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器增益L，有

|sI-(A_E-LC_E)|＝(s+ω_o)ⁿ⁺¹

其中，ω_o為全維擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)，

4)在輸出反饋積分控制器與全維擴(kuò)張狀態(tài)反饋?zhàn)饔孟拢O(shè)計(jì)輸出反饋積分控制器增益k_r和全維擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器反饋增益K_z，構(gòu)建新的自抗擾控制律

其中，b₀為對(duì)象增益，取

其中，ω_c為帶寬參數(shù)，當(dāng)k_r與K_z滿足上述條件時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)近似為

進(jìn)一步的，b₀取值為所述閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的分子低階系數(shù)與分母高階系數(shù)的比值。

進(jìn)一步的，所述全維擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)ωo和所述帶寬參數(shù)ω_c滿足ω_o≥ω_c。