[發明專利]一種基于標準型的連續系統U模型抗擾控制器設計方法

有效

• 申請號: 202010002764.X
• 申請日: 2020-01-02
• 公開（公告）號: CN111077782B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 魏偉;左敏;段博文
• 申請（專利權）人: 北京工商大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 陳磊;張楨

本發明公開了一種基于標準型的連續系統U模型抗擾控制器設計方法，包括步驟：設計二階ESO，估計系統總擾動，利用控制律實時補償系統總擾動，將任意被控對象改造為積分器串聯標準型；在二階ESO工作的基礎上，引入微分環節，使控制系統的傳遞函數動態轉化為G(s)＝1；在動態改造被控對象的基礎上，設計控制律，以實現輸出跟隨設定值，同時補償二階ESO的估計誤差對輸出的影響；調節可調參數，使系統滿足穩定條件，并使控制偏差在有限時間內收斂至0。本發明利用二階ESO估計總擾動，并通過總擾動補償方法，將被控對象轉化為標準型，在此基礎上串聯微分器，通過U模型控制思想將被控對象動態轉化為1，消除輸入和輸出之間的相位滯后。

技術領域

本發明屬于先進控制領域，特別涉及一種基于標準型的連續系統U模型抗擾控制器設計方法。

背景技術

自動控制技術是先進制造的核心技術，是獲得高、精、尖裝備的基礎。以機器人領域為例，我國已連續5年成為世界第一大機器人應用市場，但是，高端機器人仍依賴進口。由于未掌握核心控制算法，國產機器人的穩定性、故障率、易用性等關鍵指標遠不如日本那科、安川，瑞士ABB，德國酷卡的機器人產品。機器人每完成一個動作，需要控制器、伺服驅動器和伺服電機協同。高端機器人更是需要6臺以上伺服系統，核心控制算法的差距，降低了伺服系統響應的速度，傳統控制技術難以勝任。控制算法不精，使國產機器人有點“笨”。因此，研究先進、實用的工業控制技術勢在必行。

2002年，朱全民等提出模型獨立的控制方法——U模型控制。根據系統的U模型并求出其逆模型，然后在控制律設計中將逆模型包含進去，最終目的是使系統閉環傳遞函數等效為G(s)＝1。現有方法可以消除被控對象固有相對階給系統帶來的相位滯后問題。但是，仍有問題值得討論：1.雖然U模型獨立于被控對象，但是不同的被控對象對應的不同的U模型，現有方法無法以固定的U模型應對不同的被控對象；2.現有方法多為離散系統U模型控制設計，連續U模型設計亟待研究；3.以往U模型控制設計中，未考慮系統的不確定性。

自抗擾控制是一種對被控對象模型依賴小的先進、實用控制技術。擴張狀態觀測器(Extended state observer,ESO)是自抗擾控制技術的核心部分，它根據被控對象的輸入輸出信息，實時估計系統狀態及總擾動。通過對總擾動的補償使任意被控對象轉化為積分器串聯型，積分器串聯型系統的優點是結構簡單，使控制律的設計不再依賴于被控對象的精確模型。更重要的是，不需積分環節即可使系統對階躍信號的跟隨無靜差，從而避免了控制器引入積分環節而造成的相位滯后。然而，這種現有方法仍然無法從根本上實現輸出對于設定值的快速跟蹤：對于二階ESO的控制系統，任意被控對象在ESO工作良好時可以轉化為即G(s)＝1/s，u₀為作用在標準型上的控制量。顯然，u₀直接影響因此現有方法仍然需要通過一個積分器才能影響到實際輸出y,而該過程由于通過了一個積分器，所以造成了相位滯后90^o，這是制約系統響應速度的根本原因。

發明內容

為了解決被控對象固有相對階帶來的相位滯后無法通過傳統控制方法消除的問題，本發明設計了一種基于積分器串聯的標準型的連續系統U模型控制器設計方法，其中，用二階ESO估計總擾動，并通過總擾動補償的方法，將任意被控對象轉化為標準型，在此基礎上串聯微分器，通過U模型控制的思想將被控對象動態轉化為1，消除輸入和輸出之間的相位滯后。

本發明提供了一種基于標準型的連續系統U模型抗擾控制器設計方法，包括如下步驟：

S1：設計二階ESO，估計控制系統總擾動，利用控制律實時補償控制系統總擾動，將被控對象改造為積分器串聯標準型；

S2：在二階ESO工作的基礎上，引入微分環節，使控制系統的傳遞函數G(s)動態轉化為G(s)＝1，即y＝u*，其中，y表示系統輸出，u*表示輔助控制律；

S3：在動態改造被控對象的基礎上，設計輔助控制律以實現輸出跟隨設定值，同時補償二階ESO的估計誤差對輸出的影響，