[发明专利]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

说明书

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)且满足和的传统自抗扰控制结构下，增加一个输出反馈积分控制器，

其中，r为给定输入，y为系统输出；令输出反馈积分控制器增益为k_r；

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-(A_E-LC_E)|＝(s+ω_o)ⁿ⁺¹

其中，ω_o为全维扩张状态观测器参数，

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k_r和全维扩张状态观测器反馈增益K_z，构建新的自抗扰控制律

其中，b₀为对象增益，取

其中，ω_c为带宽参数，当k_r与K_z满足上述条件时，闭环系统的传递函数近似为

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ω_c满足ω_o≥ω_c。