[发明专利]一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法，该方法是一种非线性系统抗干扰控制方法，可用于飞行器、机械臂、生化过程、船舶等系统的抗干扰控制。

背景技术

反步法是20世纪90年代兴起的一种系统的非线性控制方法，“反步”反映出了设计步骤的递归特性。其基本设计思想是将复杂的高阶非线性系统划分为多个低阶子系统，从最远离系统控制输入的子系统开始，通过构造部分Lyapunov函数得到保证子系统稳定的虚拟控制量，并逐步后退到控制输入，从而得到最终的控制器，在此过程中全系统的Lyapunov函数也相继被构造出来。反步法在控制器设计中的优势在于能够通过多种方法灵活处理不同的非线性特性，实现闭环系统的全局调节或渐近跟踪，使系统达到期望的性能指标。针对反步法存在当系统阶次较高时计算虚拟控制量的偏导数会出现微分爆炸的缺点，研究人员进一步提出了指令滤波反步控制方法。通过低通滤波器产生指令信号及其导数，消除了对虚拟控制信号求偏导数而带来复杂的解析计算；进一步加入虚拟控制信号的各种物理约束(如，幅值、速率和带宽限制等)满足实际系统对控制的需求。此外，指令滤波反步法的另一个优势是消除了反步法要求非线性系统必须满足下三角形构型的限制。

实际环境中由于测量手段、器部件精度、外部环境等因素的限制无法得到系统精确的数学模型，同时各种干扰及噪声广泛地存在于系统的控制和量测过程中。复杂环境下的实际系统一般可以描述为一类包含有参数不确定、未建模动态和外部干扰等多源干扰的非线性数学模型。指令滤波反步控制方法是基于模型的控制方法，需要系统模型精确已知；由于实际系统中存在多源干扰，致使指令滤波反步控制方法的控制效果变差，甚至无法保证闭环系统的稳定性。现有的基于干扰观测器的反馈控制方法通过在反馈控制律上减去干扰估计值实现，因此其缺点在于只能补偿与控制输入相同通道的等价干扰，即干扰与控制输入匹配的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对含有多源干扰的非线性系统的控制问题，克服现有方法的不足，提供一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法，补偿系统中多源干扰的等价干扰，保证闭环系统的稳定性，提高系统的控制精度。

本发明的技术解决方案为：一种基于干扰观测器的指令滤波反步控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立多源干扰系统的非线性数学模型

根据指令滤波反步法递归设计和干扰观测器整体设计两种不同的设计需求，将多源干扰系统的非线性数学模型表示为两种不同的数学描述形式；

第一种是子系统描述形式，如下式所示：