[發明專利]一種基于微分平坦的倒立擺系統自抗擾控制設計方法

有效

• 申請號: 202010942301.1
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112083653B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 高欽和;陳志翔;譚立龍;劉大偉;鄧鋼鋒;唐圣金;劉志浩;馬棟
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍火箭軍工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 郭璐

本發明公開了一種基于微分平坦的倒立擺系統自抗擾控制設計方法，改進了目前的基于微分平坦的自抗擾控制器，首先，利用在不穩定平衡點的雅克比線性化模型的微分平坦特性，可以將雅克比線性化模型轉化為兩個串聯子系統，對每個子系統分別設計自抗擾控制器。并且位于外環的自抗擾控制器通過實時地估計補償不匹配干擾來調節外環的動態，位于內環的自抗擾控制器通過估計并補償匹配干擾使得相應的狀態跟蹤外環生成的虛擬控制量，利用此設計方法能夠對不匹配干擾進行有效抑制，從而使得倒立擺系統的控制精度得到明顯提高。

技術領域

本發明屬于運動控制技術領域，具體涉及一種基于微分平坦的倒立擺系統自抗擾控制設計方法。

背景技術

倒立擺系統作為控制理論研究中的一種比較理想的實驗手段，為自動控制理論的教學、實驗和科研構建了一個良好的實驗平臺，以用來檢驗某種控制理論或方法的典型方案，促進了控制系統新理論、新思想的發展。倒立擺系統是欠驅動系統的一個基準系統，通過對倒立擺系統的研究可以啟發對類似的高階系統的控制器設計，由此系統研究產生的方法和技術將在半導體及粳米儀器加工、機器人控制技術、人工智能、導彈攔截控制系統、航空對接控制技術、火箭發射中的垂直角度控制、衛星飛行中的姿態控制和一般工業應用、空間機器人以及火箭制導系統和一般工業應用等方面具有廣闊的利用開發前景。

當前針對倒立擺系統起擺和穩定問題，眾多研究人員提出了各類方法，包括基于能量的方法，變結構控制方法，IDA-PBC(interconnection and damping-passivity-basedcontrol)，反步法以及LQR等。但是，上述方法中大多數方法都需要系統精確的數學模型以及系統狀態，這對于實際中的輸出反饋情況以及存在明顯干擾情況面臨可行性和魯棒性問題。

當多種形式的干擾出現在倒立擺的驅動和非驅動通道時，利用當前現有的基于微分平坦的自抗擾控制器的閉環系統會使其性能變得很差，特別是小車位移的調節和跟蹤性能會由于不匹配干擾的影響變得很差。

因此如何對目前的基于微分平坦的自抗擾控制器進行改進來實現對不匹配干擾的有效抑制是本發明中提出的方法所要解決的問題。

發明內容

本發明的技術思路：

本發明提出了一種基于微分平坦的倒立擺系統自抗擾控制設計方法，其主要的設計思路為：首先，利用在不穩定平衡點的雅克比線性化模型的微分平坦特性，可以將雅克比線性化模型轉化為兩個串聯子系統，對每個子系統分別設計ADRC(自抗擾控制器)。

位于外環的ADRC通過實時地估計補償不匹配干擾來調節外環的動態，位于內環的ADRC通過估計并補償匹配干擾使得相應的狀態跟蹤外環生成的虛擬控制量。

針對上述存在的問題，本發明旨在提供一種基于微分平坦的倒立擺系統自抗擾控制設計方法，為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種基于微分平坦的倒立擺系統自抗擾控制設計方法，包括以下步驟：

S1：建立待研究的倒立擺系統的動力學方程；

S2：對倒立擺系統動力學方程進行雅克比線性化，并最終得到平坦的倒立擺系統；

S3：將得到的平坦的倒立擺系統分為兩個串聯的二階子系統；

S4：分別對兩個二階子系統設計自抗擾控制器。

進一步地，步驟S1中所述的待研究的倒立擺系統的動力學方程為：