[發(fā)明專利]一種自抗擾控制器及其設計方法

有效

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• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113325805B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設計）人: 蔡濤;車康楠;宗志程;陳杰
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05B19/414
• 分類號: G05B19/414
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 溫子云;李愛英

本發(fā)明提供一種自抗擾控制器及其設計方法，所述自抗擾控制器，包括：LuGre建模模塊用于辨識伺服系統(tǒng)的LuGre模型的參數(shù)；速度環(huán)降階擴張狀態(tài)觀測器用于估算LuGre模型補償摩擦力矩后的補償誤差；速度環(huán)線性控制律模塊用于補償速度環(huán)降階擴張狀態(tài)觀測器估算的補償誤差；位置環(huán)擴張狀態(tài)觀測器用于估算包括殘余力矩在內(nèi)的其它擾動；位置環(huán)線性控制律模塊用于補償位置環(huán)擴張狀態(tài)觀測器估算的殘余力矩在內(nèi)的其它擾動。根據(jù)本發(fā)明的方案，該自抗擾控制器能夠有效克服非線性摩擦對伺服系統(tǒng)的影響，提升伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能和控制精度。能夠有效降低擴張狀態(tài)觀測器的帶寬。

技術領域

本發(fā)明涉及自抗擾控制器技術領域，尤其涉及一種自抗擾控制器及其設計方法。

背景技術

伺服系統(tǒng)的最終目標是提高伺服系統(tǒng)的控制性能，使得伺服系統(tǒng)的被控量能夠快速、穩(wěn)定、無超調(diào)、無差地跟蹤給定的輸入信號。在實際的伺服系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)的控制性能會受到很多因素的影響，非線性摩擦就是影響伺服系統(tǒng)控制性能的一個重要因素。非線性摩擦廣泛存在于伺服系統(tǒng)中，由于非線性摩擦的存在，會導致伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能變差、跟蹤精度降低。

針對于伺服系統(tǒng)受到非線性摩擦問題的研究，通過對現(xiàn)有文獻的歸納分類，伺服系統(tǒng)非線性摩擦的抑制方法可以劃分為基于摩擦模型的摩擦補償與不基于摩擦模型的摩擦補償兩類。

基于摩擦模型的摩擦補償控制策略就是通過對伺服系統(tǒng)進行辨識以建立較為精確的伺服系統(tǒng)的摩擦模型，利用辨識得到的系統(tǒng)摩擦模型對伺服系統(tǒng)提供一個摩擦補償力矩來與伺服系統(tǒng)實際受到的摩擦力矩進行抵消以此來抑制摩擦對伺服系統(tǒng)的影響。采用基于摩擦模型的補償策略的前提是能夠獲得精確的摩擦模型才能夠有效的對系統(tǒng)的摩擦力矩進行抵消，但在實際情況下，很難通過辨識獲得伺服系統(tǒng)實際的精確的摩擦模型。此外在伺服系統(tǒng)運行時，由于接觸面的磨損、機構更換以及溫度等原因，系統(tǒng)的摩擦模型參數(shù)會動態(tài)的發(fā)生變化。所以僅僅通過離線辨識獲得的摩擦模型對伺服系統(tǒng)進行摩擦補償存在補償過度或補償不足的問題，在實際的工程應用中難以獲得滿意的效果。

不基于摩擦模型的補償控制策略不需要辨識伺服系統(tǒng)的摩擦模型，把伺服系統(tǒng)受到的非線性摩擦視為伺服系統(tǒng)受到的外部擾動進而通過相關擾動抑制算法對摩擦力矩進行補償以抑制其對伺服系統(tǒng)控制性能帶來的不利影響。經(jīng)典的不基于摩擦模型的控制算法有自抗擾控制算法。自抗擾控制技術是中科院韓京清研究員提出的一種非線性魯棒控制技術，能夠估計系統(tǒng)總擾動，其中的總擾動既包括了系統(tǒng)外部的干擾，也包括系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化而引起的不確定性，基于擴張狀態(tài)觀測器，將系統(tǒng)的模型參數(shù)當作內(nèi)部擾動，并與外部擾動一起作為總擾動進行觀測，估計擾動后通過狀態(tài)反饋在控制器中進行補償，使系統(tǒng)近似于積分串聯(lián)型的理想形式并進行控制器設計，無需建立精確的系統(tǒng)模型，理論分析可行，實際也取得了廣泛應用。自抗擾控制對非線性，大時滯，強不確定性控制對象的魯棒性和適應性。將摩擦力矩視為擾動，利用擴張狀態(tài)觀測器對其進行估計并在控制律中進行補償加以抵消。但采用自抗擾控制算法克服摩擦對系統(tǒng)帶來的影響的前提是擴張狀態(tài)觀測器能夠快速、精確的對摩擦力矩進行估計。要想提高擴張狀態(tài)觀測器對擾動估計的快速性和準確性就需要提高觀測器的帶寬。但受限于系統(tǒng)采樣時間的限制，擴張狀態(tài)觀測器的帶寬取值是受限的；并且擴張狀態(tài)觀測器的帶寬越高，伺服系統(tǒng)越容易受到噪聲的影響，系統(tǒng)的控制量會出現(xiàn)嚴重震蕩。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種自抗擾控制器及其設計方法，所述自抗擾控制器及其設計方法，用以解決伺服系統(tǒng)的非線性摩擦問題

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種自抗擾控制器，所述自抗擾控制器，包括：

LuGre建模模塊：用于構建伺服系統(tǒng)的LuGre模型，辨識該伺服系統(tǒng)的LuGre模型的參數(shù)；

速度環(huán)降階擴張狀態(tài)觀測器：用于估算LuGre模型補償伺服系統(tǒng)所受摩擦力矩后的補償誤差；

速度環(huán)線性控制律模塊：用于補償速度環(huán)降階擴張狀態(tài)觀測器估算的補償誤差；