[发明专利]基于扩张状态观测器的鲁棒自适应输出反馈控制方法

说明书

本发明公开了一种基于扩张状态观测器的鲁棒自适应输出反馈控制方法，针对机电伺服系统存在死区和扰动非线性问题，建立光滑且连续的死区逆模型以补偿死区非线性，同时给出了用于处理死区逆模型和系统模型中的参数不确定性的参数自适应率，能够进行系统状态估计的扩张状态观测器被设计用于补偿死区逆模型误差以及外部扰动。针对传统的鲁棒自适应控制器设计和实际应用中需要用到的速度信号，设计了输出反馈控制器估计系统速度；李雅普诺夫定理用于证明所提出的控制算法的稳定性，通过理论证明和仿真分析，验证了所提出的控制方案的高精度控制性能。

技术领域

本发明属于机电伺服控制技术领域，具体涉及基于扩张状态观测器的鲁棒自适应输出反馈控制方法。

背景技术

直流电机具有响应速度快、传动效率高以及易于维护等特点，在工业中得到了广泛的应用，科技的快速发展，工业领域对现代直流电机的高精度运动的要求成为了现代的发展趋势。机电伺服系统中，由于存在非线性、参数不确定性、外部干扰和模型不确定性的存在，尤其是诸多不确定非线性特性，会严重影响着系统的控制性能。在机电伺服系统中其中以死区非线性最为常见，而死区非线性的存在往往会大大降低系统控制精度，甚至导致系统不稳定，因此，为了有效的解决这个问题，必须同时考虑死区非线性和外部扰动，只有最大限度地减小它们的影响，才能有效提高机电伺服系统的跟踪精度。但是在实际中不同的机电伺服系统的精确模型往往很难得到，非线性也会随着系统不同而不同，因而设计高性能控制器异常困难。

针对机电伺服系统的死区问题，许多方法相继被提出。总的来说主要有两类方法：直接分解法和死区逆补偿法，直接分解法针对死区非线性采用了直接分解方法，此方法采用全局线性化参数模型来描述死区非线性，将其视为有界干扰，通过设计相应的控制器来缓解死区非线性对系统的影响，但是直接分解法将执行器非线性效应一致视为有界的外部扰动从而设计鲁棒项加以克服，这种方法虽然简单方便，但由于只是把非线性当作一种扰动来处理，没有针对性的补偿，因此控制精度的提升受到很大限制。死区逆补偿方法通过参数辨识有针对性地构造完美的逆补偿器，可以很好地消除执行器死区非线性的影响，在实际应用中，逆补偿可以进一步分为离线和在线形式，前者使用辨识算法离线地辨识执行器的死区参数，然后构建逆模型作为前馈补偿项进行补偿，但是离线辨识需要采集大量的样本数据，如果样本数据覆盖不全则会影响辨识精度。后者设计参数自适应律对死区逆模型参数进行在线估计，从而补偿死区非线性，相对前者来说简便易行，但是后者需要设计相应的参数自适应律，就要考虑到设计的参数自适应律收敛速度以及存在扰动的情况下参数估计是否稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于扩张状态观测器的鲁棒自适应输出反馈控制方法，解决了不同机电伺服系统中存在的死区非线性问题，同时解决传统控制方法在控制器设计和实现过程中需要发射系统的速度信号。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于扩张状态观测器的鲁棒自适应输出反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立包含死区与扰动的机电伺服系统模型，转入步骤2；

步骤2、根据机电伺服系统模型，设计鲁棒自适应控制器u_d1以及基于扩张状态观测器的鲁棒自适应输出反馈控制器u_d，转入步骤3；

步骤3、运用李雅普诺夫稳定性理论，对所设计的鲁棒自适应控制器u_d1以及基于扩张状态观测器的鲁棒自适应输出反馈控制器u_d进行稳定性证明。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)建立光滑且连续的死区逆模型以补偿系统中存在死区非线性，同时有效自适应了死区特性不好获取的参数。

(2)利用扩张状态观测器估计死区逆模型补偿误差以及外部扰动，并利用反馈补偿技术进行补偿，同时估计系统速度设计输出反馈控制器，有效降低了死区非线性对系统的影响，同时解决了传统在控制器设计以及实现过程中需要系统的速度信号。

附图说明