[发明专利]基于自抗扰控制和Youla参数化的控制器优化方法

说明书

本发明公开了基于自抗扰控制和Youla参数化的控制器优化方法，该方法包括：扩张状态观测器根据控制对象输出估计系统状态以及总扰动，其中总扰动用于前馈补偿，将系统近似补偿为积分延时系统，Youla参数化反馈控制器根据参考信号与状态的偏差输出控制律调节控制对象的输出，保证输出信号跟踪参考信号。本发明通过结合自抗扰控制器与Youla参数化，进而更好保证控制系统在低频段和高频段的特性，从而提升系统的稳点精度、抗扰特性和噪声抑制能力。本发明作为基于自抗扰控制和Youla参数化的控制器优化方法，可广泛应用于自抗扰控制技术领域。

技术领域

本发明涉及自抗扰控制技术领域，尤其涉及基于自抗扰控制和Youla参数化的控制器优化方法。

背景技术

自抗扰控制（ADRC）是一种现代控制理论方法，旨在应对控制系统中的不确定性和外部干扰，Youla参数化是一种用于线性系统控制器设计的方法，目前，针对具有强耦合、非线性、时变不确定性以及延时特性的工业控制对象，PID控制难以满足全工况范围内的控制性能要求，尽管PID控制增加了滤波、抗积分饱和、不完全微分等补偿方法，但其本质还是无法内在消除非线性强耦合以及延时特性问题。特别是对系统参数的变化和外部干扰敏感的控制器，可能导致控制性能下降；在具有延时特性的系统中，这一问题尤为明显，因此，针对具有延时特性的系统，有关学者提出了一种主动抗干扰控制方法，基于干扰补偿的主动式抗扰控制方法为解决柴油机转速控制面临的难题提供了一种解决思路，抗扰控制具有较强的鲁棒性，能够在系统参数变化或不确定性的情况下保持较好的控制性能，特别是对于复杂和非线性的系统，在不依赖于控制对象模型的情况下，能获得更好的动态性能和控制精度，但是，现有的自抗扰控制器应用于具有延时特性和非线性特性的系统时，容易受传感器噪声影响引起输出波动以及执行器饱和问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供基于自抗扰控制和Youla参数化的控制器优化方法，通过结合自抗扰控制器与Youla参数化，进而更好保证控制系统在低频段和高频段的特性，从而提升系统的稳点精度、抗扰特性和噪声抑制能力。

本发明所采用的第一技术方案是：基于自抗扰控制和Youla参数化的控制器优化方法，包括以下步骤：

设计扩张状态观测器，获取非线性延时控制系统的状态和非线性延时控制系统的总扰动；

设计Youla函数和Youla函数的参数，构建基于自抗扰控制的Youla参数化反馈控制器；

基于非线性延时控制系统的总扰动对非线性延时控制系统中的低频段特性进行前馈补偿，构建积分延时控制系统；

基于自抗扰控制的Youla参数化反馈控制器，引入参考信号，获取参考信号与非线性延时控制系统的状态之间的偏差，输出补偿控制律；

根据补偿控制律对积分延时控制系统的输出进行调节，实现积分延时控制系统的输出跟踪参考信号。

进一步，所述设计扩张状态观测器，对非线性延时控制系统中的低频段特性进行补偿，获取非线性延时控制系统的状态和非线性延时控制系统的总扰动这一步骤，其具体包括：

引入虚拟控制量，构建扩张状态观测器；

通过扩张状态观测器对非线性延时控制系统中的低频段特性进行估计，得到非线性延时控制系统的状态和非线性延时控制系统的总扰动。

进一步，所述设计的扩张状态观测器的表达式具体如下所示：

;

上式中，表示带延迟特性的柴油机控制系统在时刻的输出，、表示时刻状态、的估计值，表示扩张状态观测器的增益，、表示观测器增益，表示虚拟控制量，表示观测误差，、表示t时刻，状态、的估计值导数。

进一步，所述设计Youla函数和Youla函数的参数，构建基于自抗扰控制的Youla参数化反馈控制器这一步骤，其具体包括：