[發明專利]一種針對角速率比例-積分反饋的模塊化自抗擾控制方法

有效

• 申請號: 201711205504.7
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107942665B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 薛文超;陳森;黃一
• 申請（專利權）人: 中國科學院數學與系統科學研究院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明一種針對角速率比例?積分反饋的模塊化自抗擾控制方法，包括如下四個步驟：1、根據基于比例?積分反饋控制的剛體角速率控制系統來等價建立剛體角速率的跟蹤誤差動態模型：2、根據基于比例?積分反饋控制的剛體角速率控制系統以及步驟1得到的角速率跟蹤誤差動態模型，設計一個如下的“總不確定性”估計器，來得到剛體角速率控制系統中的“總不確定性”；3、對步驟2所設計的“總不確定性”估計器(5)的參數進行設計：4、利用步驟2中的“總不確定性”估計器(5)得到的對剛體角速率控制系統中的“總不確定性”的估計值設計帶有“總不確定性”補償的模塊化自抗擾控制輸入。

技術領域

本發明屬于剛體角速率控制方法的設計領域，具體內容涉及到剛體角速率控制系統的比例-積分反饋控制方法以及模塊化自抗擾控制方法。

背景技術

比例-積分反饋控制方法是針對一階控制系統的非常經典和有效的反饋控制方法，已經被廣泛用于實際工業控制系統過程中。文獻W.L.Bialkowski,“The controlhandbook,”New York,1996提到98％的控制回路采用單輸入單輸出比例-積分反饋控制方法。控制工程師在比例-積分反饋控制方法的參數調節方面往往具有較豐富經驗，并掌握較多理論方法。因此，實際控制系統中已經使用的比例-積分反饋控制方法的參數往往經過了工程師的大量調試，所選取的數值可以認為在一定程度上具有最優性。此外，很多實際控制系統中已經使用的比例-積分反饋控制方法的參數經過調試后，就會被固定或保護在控制設備中，難以進行更改。綜上，大量實際工業產品中都采用比例-積分反饋控制方法，并且控制參數常常是經過優化選取的，而其數值也被固定或保護在了控制設備中。

然而，實際控制系統的本身特性及外部環境都會隨時間改變，很多控制系統的模型在經過或長或短的時間后，都會發生未知的變化，這種未知變化很有可能是調試控制參數時沒有考慮到的，從而導致控制系統的性能降低甚至不穩定性。在剛體的角速率控制問題中，實際控制系統的內部與外部的不確定性變化對控制系統的影響尤為顯著。例如在飛機的角速率控制問題中，飛行儀器的設備老化、飛機飛行高度、氣壓、溫度的大范圍變化以及飛行環境中的風、光、電等自然因素的干擾等一系列飛機內部與外部環境帶來的不確定性變化，都對僅僅依靠固有的比例-積分反饋控制方法的角速率控制環節帶來巨大的挑戰。在機械臂的角速率控制問題中，機械臂內部部件的磨損、機械臂關節的摩擦、外界環境的干擾等因素都是對已所用的比例-積分反饋控制方法的魯棒性的嚴峻考驗。如何對在剛體角速率控制中已經使用的比例-積分反饋控制方法進行改進，從而滿足抵抗控制系統內部與外部的不確定性的要求，具有迫切且重要的實際需求。對于剛體角速率控制設計而言，相應的核心問題就是在不改變已有比例-積分反饋控制方法的結構和參數的條件下，如何增加控制模塊或回路來極大提高整個控制系統對付不確定性的能力。

發明內容

本發明解決的技術問題是：針對剛體角速率控制系統以及已經投入使用的比例-積分反饋控制方法，在不改變其已有控制結構和參數的條件下，提供了增強控制系統對付非線性未知動態和外部擾動的模塊化自抗擾控制方法。

考慮基于比例-積分反饋控制的剛體角速率控制系統：

其中x(t)∈R是剛體在t時刻的角速率，x(τ)∈R是剛體在τ時刻的角速率，f(x,t)∈R是控制系統中的不確定未知動態總和，包括了未知的內部非線性動態和未知的外部擾動，u(t)∈R是控制輸入，在基于比例-積分反饋控制的剛體角速率控制系統中u(t)＝u_PI(t)，u_PI(t)∈R是已設計的比例-積分反饋控制輸入，b∈R是控制輸入增益，k_p∈R是已設計的比例-積分反饋控制輸入的比例反饋增益，k_i∈R是已設計的比例-積分反饋控制輸入的積分反饋增益，r∈R是剛體角速率的參考信號。t₀是剛體角速率控制系統的運行時間初始值；t∈[t₀,∞)是剛體角速率控制系統的運行時間。