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CN106950839B - 一种用于电机转速调节系统的自抗扰控制结构的构造方法 - Google Patents

一种用于电机转速调节系统的自抗扰控制结构的构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电机转速调节系统的自抗扰控制结构的构造方法。该方法包括一下步骤:1)在包括有反馈控制器C(s)/s和前置滤波器F(s)且满足
Figure DDA0002180065660000011
Figure DDA0002180065660000012
的传统自抗扰控制结构上增加一个输出反馈积分控制器;2)在所述传统自抗扰控制结构下,针对n阶对象,设计n+1阶全维扩张状态观测器;3)采用极点配置的方式,得到全维扩张状态观测器增益;4)在输出反馈积分控制器与全维状态反馈作用下进行极点配置,构建新的自抗扰控制律。实验及仿真结果表明,根据本发明构造的自抗扰控制结构实现对斜坡扰动抑制的无静差控制,同时还能改善阶跃干扰抑制的效果,具有强鲁棒性和无静差斜坡扰动抑制能力,能够提升自抗扰控制的工程实用价值。

Description

一种用于电机转速调节系统的自抗扰控制结构的构造方法
技术领域
本发明属于工业自动化技术领域,具体地,涉及一种自抗扰控制结构的构造方法。
背景技术
在实际工业生产中,控制系统往往受到各种外部扰动的影响,在力学系统中表现为斜坡扰动力,例如飞机姿态控制系统受持续增强的风剪应力,海洋平台振动控制系统受持续增强的水动压力,电力系统负载线性增加等;在热力系统中可以表现为环境温度线性增加;在过程控制中可以表现为供给流体线性增加的质量偏差等。斜坡扰动的存在使系统工作点发生漂移,影响控制性能,甚至造成系统不稳定。随着现代工业对控制系统性能和精度要求的不断提高,设计控制器实现斜坡扰动的无静差抑制具有重要作用和意义。
非最小相位系统广泛存在于机器人柔性结构控制、船舶航向控制和飞行器姿态控制等实际问题中。由于非最小相位系统具有右半平面零极点,不满足幅频与相频间一一对应的关系,经典控制理论中的频域设计和分析方法不再适用。非最小相位环节会对系统的稳定性、鲁棒性和动态性能等产生不利影响,所以非最小相位系统的控制比最小相位系统要困难得多。另外由于实际系统的动态特性十分复杂,比如工况的变化、系统元件的老化、元器件的零点漂移和系统未建模动态等,不确定性中容易包含非最小相位特性,导致传统控制器失效。因此,包含非最小相位特性的系统控制问题一直是控制领域广泛关注的问题之一。
对于系统的外部干扰抑制和内部不确定性,自抗扰控制是一种有效的控制策略。它的基本思想是将模型不确定性、外部扰动甚至非线性作为一个总扰动,并由扩张状态观测器主动估计和补偿,大大摆脱了对模型的依赖。扰动补偿后的串联积分系统再通过简单的极点配置就可达到期望的闭环动态。自抗扰控制最初是针对最小相位系统进行设计,通过调节与系统性能密切相关的两个带宽参数,实现了自抗扰控制的线性化和参数化,具有鲁棒性强、结构简单、响应速度快、超调量小等优点,大大促进了自抗扰控制的发展与应用。然而,当对象具有非最小相位特性时,传统自抗扰控制的扰动补偿会使系统回路中包含正反馈,因此针对非最小相位系统,需要采用特定的设计方法,例如相对阶的调整、选择合适带宽和对象增益参数。从扰动抑制效果来说,虽然通过选择合适控制器参数,自抗扰控制能实现阶跃扰动的无静差抑制,但对于斜坡扰动,无论如何调节系统参数,稳态误差始终存在,这便限制了自抗扰控制的工程应用。因此,通过对现有自抗扰控制结构的改进,设计一种新的自抗扰控制结构,且同时适用于最小相位和非最小相位系统,具有重要的意义。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种自抗扰控制结构的构造方法,包括如下步骤:
1)在包括有反馈控制器C(s)/s和前置滤波器F(s)且满足
Figure GDA0002180065650000021
Figure GDA0002180065650000022
的传统自抗扰控制结构下,增加一个输出反馈积分控制器,
Figure GDA0002180065650000023
其中,r(t)为给定输入,y(t)为系统输出;令输出反馈积分控制器增益为kr
2)在所述传统自抗扰控制结构下,针对n阶对象,设计n+1阶全维扩张状态观测器;
3)采用极点配置的方式,得到在步骤2)中设计的全维扩张状态观测器增益L,有
|sI-(AE-LCE)|=(s+ωo)n+1
其中,ωo为全维扩张状态观测器参数,
Figure GDA0002180065650000031
CE=[1 0 … 0]1×(n+1)
4)在输出反馈积分控制器与全维扩张状态反馈作用下进行极点配置,设计输出反馈积分控制器增益kr和全维扩张状态观测器反馈增益Kz,构建新的自抗扰控制律
Figure GDA0002180065650000032
其中,b0为对象增益,取
Figure GDA0002180065650000033
其中,ωc为带宽参数,当kr与Kz满足上述条件时,闭环系统的传递函数近似为
Figure GDA0002180065650000034
进一步的,b0取值为所述闭环系统的传递函数的分子低阶系数与分母高阶系数的比值。
进一步的,所述全维扩张状态观测器参数ωo和所述带宽参数ωc满足ωo≥ωc
本发明采用上述技术方案,具有的有益效果是:本发明在传统自抗扰控制的基本算法上,加入“输出反馈积分控制”,实现对斜坡扰动抑制的无静差控制,同时还能改善阶跃干扰抑制的效果;在传统自抗扰控制的基本算法上,采用全维扩张状态观测器,当对象存在不确定性引入了相对阶数变化,或者引入非最小相位零点时,仍然具有良好的镇定控制效果和斜坡扰动抑制的无静差控制;在积分控制器与全维状态反馈作用下进行极点配置,得到一种新的自抗扰控制律,提高了自抗扰控制系统的鲁棒性和扰动抑制性能,提高了自抗扰控制器在工业控制系统领域应用的可靠性和实用性。
附图说明
图1是根据本发明构造的自抗扰控制结构的示意图;
图2是根据本发明构造的自抗扰控制结构的斜坡扰动抑制无静差原理图;
图3是自抗扰控制结构在直流电机转速调节上的应用原理图;
图4是应用传统自抗扰控制结构和本发明的自抗扰控制结构的直流电机转速调节的自抗扰控制效果比较示意图;
图5是传统自抗扰控制结构和根据本发明构造的自抗扰控制结构在非最小相位对象ρ=-1时的斜坡扰动抑制效果比较示意图;
图6是传统自抗扰控制结构和根据本发明构造的自抗扰控制结构在最小相位对象ρ=1时的斜坡扰动抑制效果比较示意图;
图7是传统自抗扰控制结构和根据本发明构造的自抗扰控制结构在相对阶变化ρ=0时的斜坡扰动抑制效果比较示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例,本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分,其主要用以说明实施例,并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容,本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
结合图1和2,描述本发明的自抗扰控制结构的构建方法。该构建方法包括如下步骤:
1)在包括有反馈控制器C(s)/s和前置滤波器F(s)且满足
Figure GDA0002180065650000051
Figure GDA0002180065650000052
的传统自抗扰控制结构下,增加一个输出反馈积分控制器,
Figure GDA0002180065650000053
其中,r(t)为给定输入,y(t)为系统输出;令积分控制器增益为kr
2)在所述传统自抗扰控制结构下,针对n阶对象,设计n+1阶全维扩张状态观测器;
3)采用极点配置的方式,得到在步骤2)中设计的全维扩张状态观测器增益L,有
|sI-(AE-LCE)|=(s+ωo)n+1
其中,ωo为全维扩张状态观测器参数,
Figure GDA0002180065650000054
CE=[1 0 … 0]1×(n+1)
4)在输出反馈积分控制器与全维扩张状态反馈作用下进行极点配置,设计输出反馈积分控制器增益kr和全维扩张状态观测器反馈增益Kz,构建新的自抗扰控制律
Figure GDA0002180065650000061
其中,b0为对象增益,取
Figure GDA0002180065650000062
其中,ωc为带宽参数,当kr与Kz满足上述条件时,闭环系统的传递函数近似为
Figure GDA0002180065650000063
其中,带宽参数ωc与系统闭环带宽相关,反映了系统闭环响应速度;带宽参数ωc和全维扩张状态观测器参数ωo一般满足ωo≥ωc;对象增益b0可取为系统传递函数分子低阶系数与分母高阶系数的比值。根据本发明构造的自抗扰控制结构的参数整定遵循传统自抗扰控制结构的参数选取方法。
因此,根据本发明构造的自抗扰控制结构包括被控对象,全维扩张状态观测器、输出反馈积分控制器和状态反馈控制器。
输出反馈积分控制器是由输出反馈与参考输入进行比较后,形成误差积分控制,输出反馈积分控制器包含一个增益调节参数。
全维扩张状态观测器,是对针n阶对象构建的n+1阶全维扩张状态观测器,无需考虑系统的相对阶数。由于采用全维扩张状态观测器,即使对象由于存在的不确定性引起的相对阶数发生变化,或引入了非最小相位零点,在本发明提出的自抗扰控制结构下,通过设计合适的参数,均能镇定且实现斜坡扰动抑制无静差控制。可见,该自抗扰控制方法具有强鲁棒性,能够同时适用于最小相位对象和非最小相位对象和相对阶发生变化的被控对象。
状态反馈控制器是在积分控制器与全维扩张状态观测器反馈作用下进行极点配置,由积分增益kr和全维扩张状态观测器的反馈增益Kz共同构建的。
斜坡扰动抑制无静差原理如图2所示:在传统自抗扰控制结构中增加了一个输出反馈积分器,考虑扰动输入到系统输出之间的传递函数为
Figure GDA0002180065650000071
系统的稳态输出为
Figure GDA0002180065650000072
当扰动为阶跃输入d(s)=1/s或斜坡输入d(s)=1/s2时,都有
Figure GDA0002180065650000073
显然,在传统自抗扰控制作用下,斜坡输入d(s)=1/s2时,
Figure GDA0002180065650000074
下面通过两个实例说明根据本发明构造的自抗扰控制结构的有益效果。
实例1:该实例是本发明在电机调速控制上的实际应用,通过直流电机的转速控制验证本发明的应用效果。图3是直流电机转速调节的自抗扰控制系统。由直流电机、PWM模块、驱动器、自抗扰控制器、转速测量模块构成。其中,编码器安装在有刷直流电机上,编码器脉冲信号进入转速测量模块,转速测量模块输出电机旋转的速度(转/秒);设定转速与电机实际转速进入自抗扰控制器,产生占空比输出,产生PWM;驱动装置在PWM脉冲控制作用下,给电机工作电压,使得电机运行。
经辨识得到电机的传递函数模型
Figure GDA0002180065650000075
采用传统自抗扰控制结构,调节系统参数,选取ωc=10,ωo=49.4和b0=9175作为自抗扰控制参数。给定系统的速度设定为r(t)=30r/s,在系统中t=5s加入斜坡扰动。
采用根据本发明构造的自抗扰控制结构,电机的转速控制效果如图4实线所示,系统响应在2s以内进入稳态,运行过程仅有较小超调,没有振荡,具有良好的动态响应特性和抗扰能力。当斜坡扰动加入后,系统经过短暂调整即实现了无静差扰动抑制,效果显著,同时,电机的控制量在斜坡扰动抑制过程中保持平稳。采用相同的控制器参数,传统自抗扰控制的电机转速如图4虚线所示,虽然响应速度较快、没有超调,但对于斜坡扰动缺乏无静差抑制能力,稳态误差非常大,为了克服斜坡扰动产生的转速输出发散,传统自抗扰控制需要保持较大的控制作用。
该实例说明,根据本发明构造的自抗扰控制结构在实际应用中是可行的、有效的。
实例2:给定一个不确定系统
Figure GDA0002180065650000081
该系统包含了最小相位和非最小相位,同时系统的相对阶数可能发生变化。选取参数ωc=2,ωo=28.9164,b0=11.6793作为自抗扰控制参数。在阶跃响应t=20s时加入斜坡扰动输入。
选取ρ=-1,ρ=1和ρ=0三种情况进行阶跃响应和斜坡扰动抑制控制测试。其控制效果分别如图5、6和7所示。可见,不论系统处于最小相位情况,还是非最小相位情况或系统的相对阶数发生变化,根据本发明构造的自抗扰控制结构都能够实现斜坡扰动的无静差抑制。
总之,根据本发明构造的自抗扰控制结构,结构简单,效果优良,使得自抗扰控制技术能够真正应用于一般实际对象,为广大控制工程师所接受,大大提升了自抗扰控制器的工程实用价值。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明,但所属领域的技术人员应该明白,在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内,在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化,均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于电机转速调节系统的自抗扰控制结构的构造方法,电机转速调节系统由直流电机、PWM模块、驱动器、自抗扰控制器、转速测量模块构成,其中,编码器安装在有刷直流电机上,编码器脉冲信号进入转速测量模块,转速测量模块输出电机旋转的速度;设定转速与电机实际转速进入自抗扰控制器,产生占空比输出,产生PWM;驱动装置在PWM脉冲控制作用下,给电机工作电压,使得电机运行;其特征在于,所述构造方法包括如下步骤:
1)在包括有反馈控制器C(s)/s和前置滤波器F(s)且满足
Figure FDA0002299901180000011
Figure FDA0002299901180000012
的传统自抗扰控制结构下,增加一个输出反馈积分控制器,
Figure FDA0002299901180000013
其中,r(t)为设定转速,y(t)为占空比输出;令输出反馈积分控制器增益为kr
2)在所述传统自抗扰控制结构下,针对n阶对象,设计n+1阶全维扩张状态观测器;
3)采用极点配置的方式,得到在步骤2)中设计的全维扩张状态观测器增益L,有
|sI-(AE-LCE)|=(s+ωo)n+1
其中,ωo为全维扩张状态观测器参数,
Figure FDA0002299901180000014
CE=[1 0…0]1×(n+1)
4)在输出反馈积分控制器与全维扩张状态反馈作用下,设计输出反馈积分控制器增益kr和全维扩张状态观测器反馈增益Kz,构建新的自抗扰控制律:
Figure FDA0002299901180000021
其中,b0为对象增益,取
Figure FDA0002299901180000022
其中,ωc为带宽参数,当kr与Kz满足上述条件时,闭环系统的传递函数近似为
Figure FDA0002299901180000023
2.如权利要求1所述的构造方法,其特征在于,b0取值为所述闭环系统的传递函数的分子低阶系数与分母高阶系数的比值。
3.如权利要求1所述的构造方法,其特征在于,所述全维扩张状态观测器参数ωo和所述带宽参数ωc满足ωo≥ωc
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