[发明专利]一种基于自抗扰的反馈-前馈控制器及设计方法

说明书

本发明公开了一种基于自抗扰的反馈‑前馈控制器以及设计方法，针对参考输入和外部扰动输入的前馈控制策略整体考虑，由自抗扰控制器对外部扰动作用进行观测和补偿，利用前馈控制器加快对于参考输入跟踪的快速性；前馈控制器对于被控对象系统动态参数变化不敏感，几乎接近100％补偿效果；保持了自抗扰控制器对于模型不确定性的优良适应性和对于外部扰动的快速抑制能力，同时还提高了系统响应的快速性和稳态精度；2、本发明的设计方法过程清晰明了，实现方便，系统地解决了在自抗扰控制器的框架下，如何设计前馈控制器的问题，适合工程应用；高阶微分器可按照被控对象的能力约束进行设计，保证系统响应快速无超调。

技术领域

本发明属于自动控制理论及工程应用技术领域，具体涉及一种基于自抗扰的反馈-前馈控制器及设计方法。

背景技术

传统的前馈控制系统是利用参考输入或扰动信号(同为系统的输入信号)，直接产生控制作用构造的开环控制系统。理想的前馈控制按照被控对象确定模型设计，并假定该模型恒定不变，而实际系统中被控对象的参数不可能一成不变。因此，在实际应用中，考虑到被控对象参数变化和外部扰动因素的存在，通常需要在前馈控制系统中引入闭环控制，构成反馈-前馈控制系统，即传统意义上的复合控制系统。其中，反馈控制用于减小参考输入与被控对象输出之间的误差，使得系统输出的稳态误差足够小；而前馈控制的作用是为了加快系统响应，弥补闭环控制存在相位滞后的缺点。前馈部分直接产生控制作用，不需要等待输出信号与参考输入之间出现偏差以后才产生控制输出。对于扰动输入信号，相应的前馈控制器有所不同。如果该扰动输入是可测量，在系统被控对象的模型恒定不变的条件下，可构造前馈控制通道，使得该通道产生的控制量与扰动输入量的综合作用相互抵消，即实现对于扰动作用的补偿。该扰动输入的存在对于系统输出不产生影响。

以单输入单输出控制系统为例，传统的前馈控制器设计过程如下。

假设针对参考输入的反馈-前馈复合控制系统框图如图1所示，图中G_p(s)为反馈系统的开环传递函数，G_r(s)为前馈控制器传递函数，G_c(s)为反馈控制器传递函数。R(s)和Y(s)分别为经拉普拉斯变换后的参考输入和系统输出。

由图1可得，系统的闭环传递函数为

系统的误差传递函数为

由上式可见，当

时，即前馈控制律为被控对象传递函数的逆时，使得

G_e(s)＝0

G_cl(s)＝1

即仅仅通过前馈控制可使得系统输出准确跟踪参考输入。

实际控制系统中，由于被控对象内部材料、器件的老化等因素，或者自身正常工作时模型参数变化，如运动控制系统中的对象转动惯量随着姿态变化而随之连续变化的情况。因此，被控对象传递函数并不能与其模型G_p(s)严格一致，由公式(2)必然产生系统输出与参考输入的误差。对于该误差，可通过设计反馈控制器G_c(s)，在保证系统稳定的前提下，将该误差减小到可接受范围。

对于扰动输入的反馈-前馈复合控制器设计与针对参考输入的控制器设计相似。但是，传统上，针对扰动输入的前馈控制器与针对参考输入的前馈控制器是完全独立的两部分，必须分开设计。