[發明專利]基于擴張狀態觀測器的負載模擬器反步控制方法

有效

• 申請號: 201710744574.3
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN109426150B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 姚建勇;羅成洋
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種基于擴張狀態觀測器的負載模擬器反步控制方法，屬于電液伺服控制領域；該控制方法同時考慮了系統的參數不確定性以及外干擾等不確定性非線性，對于負載模擬器的三階模型進行了詳細的建模，基于擴張狀態觀測器對外干擾等不確定性非線性進行估計，并設計出連續的反步控制器，得到了有界穩定的理論結果。本發明具有參數估計準確這一優點，采用了快速動態補償的方法克服了自適應中輸出跟蹤性能較差的缺點，無論在參數估計還是跟蹤誤差方面都能取得較好的仿真結果；本發明所設計的非線性控制器的控制電壓連續，有利于在工程實際中應用。

技術領域

本發明屬于電液伺服控制領域，特別是一種基于擴張狀態觀測器的負載模擬器反步控制方法。

背景技術

負載模擬器是用來模擬飛行器及其他運動物體在飛行和運動過程中舵面所受的空氣動力矩，是導彈等武器系統重要的地面仿真設備之一。負載模擬器也稱為力/力矩伺服加載系統，屬于力/力矩伺服控制系統的范疇，具有和普通力/力矩伺服系統相似的結構。如圖1所示，一般的負載模擬器主要包括伺服控制器、執行機構以及檢測元件等，其核心為伺服控制器，系統期望輸出為加載力/力矩。

按照加載執行元件的不同，負載模擬器可分為機械式負載模擬器，液壓式負載模擬器和電動式負載模擬器。在仿真實驗過程中根據承載對象實際運動過程中所要求的各種載荷譜來進行加載，因而是一個相當復雜的機電液復合系統，從控制角度來看，它又是一個非線性、強耦合的時變系統，涉及到傳動及控制、系統動力學、電力電子、計算機技術和自動控制等多門學科。負載模擬器可以實現大力矩、高精度、寬頻帶的負載模擬，逐步應用于中小型加載系統中。由于執行器和被測對象通過聯軸器直接耦合，所以舵機的主動運動會致使執行器被動跟隨舵機運動，在這個過程中就會出現多余力矩，而能否減小或消除多余力矩的干擾是影響系統性能好壞的重要因素。針對多余力矩的抑制，目前的解決方案有兩類：一類是結構補償法，從系統的硬件入手，用輔助元件從產生機理上抵消多余力矩；另一類是控制補償法，從控制策略入手，通過控制方法抑制多余力矩。

目前針對電液伺服系統的先進控制策略，有反饋線性化、滑模以及自適應魯棒等控制方法。反饋線性化控制方法不僅設計簡單，而且可以保證系統的高性能，但是其要求所建立的系統數學模型必須非常準確，這在實際應用中難以得到保證?；？刂品椒ê唵螌嵱们覍ο到y的外干擾等有一定的魯棒性，但是基于一般滑?？刂频姆椒〞鸹Ｃ娴亩秳樱顾O計的控制器不連續，從而使系統的性能惡化，不利于在工程實際中應用。自適應魯棒控制方法主要基于系統的模型設計非線性控制器，針對參數不確定性，設計恰當的在線估計策略，以提高系統的跟蹤性能；對可能發生的外干擾等不確定性非線性，通過強增益非線性反饋控制予以抑制進而提升系統性能，然而自適應魯棒控制卻容易被系統狀態中的噪聲所干擾。

總結來說，現有電液伺服系統的控制技術的不足之處主要有以下幾點：

(1)采用簡單的一階系統模型。電液伺服系統的模型是非常復雜的，現在常用的一階模型雖然設計簡單，但是忽略了系統內大量的非線性以及內部特性，譬如連接的剛度。這些特性往往會在極限條件下制約系統的性能，在某些情況下，這些未被考慮的調節有可能會使系統失穩，從而造成嚴重的后果。

(2)基于傳統的自適應魯棒的控制方法所設計的控制器性能有限，對環境的要求較高，并且一般只能得到有界穩定的結果不連續?；趥鹘y的滑?？刂品椒ㄈ菀滓鸹Ｃ娴亩秳訌亩顾O計的控制器不連續，使系統的跟蹤性能惡化。

(3)基于一般的自適應魯棒控制方法存在高增益反饋現象。一般的自適應魯棒控制器對可能發生的大的外干擾等不確定性非線性，通過強增益非線性反饋控制予以抑制進而提升系統性能。然而高增益反饋易受測量噪聲影響且可能激發系統的高頻動態進而降低系統的跟蹤性能，甚至導致系統不穩定。

發明內容