[发明专利]偏差反馈补偿自抗扰控制系统设计方法和装置

说明书

本申请提出了一种偏差反馈补偿自抗扰控制系统设计方法，涉及自动控制技术领域，其中，该方法包括：根据被控对象特性整定自抗扰控制回路的参数，并根据整定的参数计算由自抗扰回路产生的控制量；在自抗扰回路闭环系统的基础上，得到预期动态，根据预期动态整定偏差反馈补偿回路控制器参数，并计算偏差反馈补偿回路产生的控制量作用；将计算得到的由自抗扰控制回路产生的的控制量和由偏差反馈补偿回路产生的控制量叠加后共同作用在执行机构上，实现偏差反馈补偿自抗扰控制。采用上述方案的本发明解决了现有技术中的扩张状态观测器无法快速准确地估计总扰动而造成自抗扰控制闭环控制系统无法跟踪上预期动态的技术问题。

技术领域

本申请涉及自动控制技术技术领域，尤其涉及偏差反馈补偿自抗扰控制系统设计方法和装置。

背景技术

一个含有未知扰动、外部扰动等的n阶对象可以表示成一个广义二阶系统的形式其中，y和u分别是被控对象的输出和输入；f是指总扰动，包括外部扰动、内部扰动等的综合。b₀是给定的补偿因子。

现有的自抗扰控制(ADRC)的基本思想是将总扰动f通过扩张状态观测器(ESO)估计成z₃，即并在控制律中将总扰动补偿掉，即u＝(u₀-z₃)/b₀，其中，u₀表示状态偏差反馈控制率，将在后文给出。如果估计值z₃足够准确，那么被控对象就会被补偿成为一个单位增益的双积分器如果把u₀选择成一个PD控制器其中，r是设定值，k_p和k_d分别是PD控制器的比例系数和微分系数。则期望的闭环系统动态就变成了其中，w_c是PD控制器带宽。

然而，一个不易发现但却不容忽视的问题是对于较复杂对象，无论如何调节ADRC的三个参数，w_o和b₀，ADRC闭环控制系统始终无法跟踪上预期动态G_des。而且对于越复杂的对象，这种现象越明显。原因是ESO不能快速准确地估计总扰动f，即z₃≠f。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种偏差反馈补偿自抗扰控制系统设计方法，解决了解决现有技术中扩张状态观测器不能快速准确地估计总扰动而造成ADRC闭环控制系统无法跟踪上预期动态的缺陷；并为基于闭环预期动态的上层控制框架的设计奠定基础。

本申请的第二个目的在于提出一种偏差反馈补偿自抗扰控制系统设计装置。

为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种偏差反馈补偿自抗扰控制系统设计方法，包括：根据被控对象特性整定自抗扰控制回路的参数，其中，自抗扰控制回路的参数包括PD控制器带宽、扩张状态观测器带宽和补偿因子；根据整定的参数计算由自抗扰回路产生的控制量；在自抗扰回路闭环系统的基础上，得到预期动态，根据预期动态整定偏差反馈补偿回路控制器参数，并计算偏差反馈补偿回路产生的控制量作用，其中，偏差反馈补偿回路控制器参数包括比例增益和微分增益；将计算得到的由自抗扰控制回路和偏差反馈补偿回路产生的控制量叠加后共同作用在执行机构上，实现偏差反馈补偿自抗扰控制。

可选地，在本申请的一个实施例中，当自抗扰控制回路为一阶控制器时，由自抗扰控制回路产生的控制量表示为：

u_ADRC＝(w_c(r-z₁)-z₂)/b₀

其中，w_c为自抗扰控制回路中PD控制器的初始带宽，r为设定值，b₀为补偿因子，Z₁和Z₂分别为扩张状态观测器对系统输出y和总扰动的估计值，其满足如下微分方程：