[发明专利]基于扩张状态观测器的负载模拟器反步控制方法

说明书

本发明公开了一种基于扩张状态观测器的负载模拟器反步控制方法，属于电液伺服控制领域；该控制方法同时考虑了系统的参数不确定性以及外干扰等不确定性非线性，对于负载模拟器的三阶模型进行了详细的建模，基于扩张状态观测器对外干扰等不确定性非线性进行估计，并设计出连续的反步控制器，得到了有界稳定的理论结果。本发明具有参数估计准确这一优点，采用了快速动态补偿的方法克服了自适应中输出跟踪性能较差的缺点，无论在参数估计还是跟踪误差方面都能取得较好的仿真结果；本发明所设计的非线性控制器的控制电压连续，有利于在工程实际中应用。

技术领域

本发明属于电液伺服控制领域，特别是一种基于扩张状态观测器的负载模拟器反步控制方法。

背景技术

负载模拟器是用来模拟飞行器及其他运动物体在飞行和运动过程中舵面所受的空气动力矩，是导弹等武器系统重要的地面仿真设备之一。负载模拟器也称为力/力矩伺服加载系统，属于力/力矩伺服控制系统的范畴，具有和普通力/力矩伺服系统相似的结构。如图1所示，一般的负载模拟器主要包括伺服控制器、执行机构以及检测元件等，其核心为伺服控制器，系统期望输出为加载力/力矩。

按照加载执行元件的不同，负载模拟器可分为机械式负载模拟器，液压式负载模拟器和电动式负载模拟器。在仿真实验过程中根据承载对象实际运动过程中所要求的各种载荷谱来进行加载，因而是一个相当复杂的机电液复合系统，从控制角度来看，它又是一个非线性、强耦合的时变系统，涉及到传动及控制、系统动力学、电力电子、计算机技术和自动控制等多门学科。负载模拟器可以实现大力矩、高精度、宽频带的负载模拟，逐步应用于中小型加载系统中。由于执行器和被测对象通过联轴器直接耦合，所以舵机的主动运动会致使执行器被动跟随舵机运动，在这个过程中就会出现多余力矩，而能否减小或消除多余力矩的干扰是影响系统性能好坏的重要因素。针对多余力矩的抑制，目前的解决方案有两类：一类是结构补偿法，从系统的硬件入手，用辅助元件从产生机理上抵消多余力矩；另一类是控制补偿法，从控制策略入手，通过控制方法抑制多余力矩。

目前针对电液伺服系统的先进控制策略，有反馈线性化、滑模以及自适应鲁棒等控制方法。反馈线性化控制方法不仅设计简单，而且可以保证系统的高性能，但是其要求所建立的系统数学模型必须非常准确，这在实际应用中难以得到保证。滑模控制方法简单实用且对系统的外干扰等有一定的鲁棒性，但是基于一般滑模控制的方法会引起滑模面的抖动，使所设计的控制器不连续，从而使系统的性能恶化，不利于在工程实际中应用。自适应鲁棒控制方法主要基于系统的模型设计非线性控制器，针对参数不确定性，设计恰当的在线估计策略，以提高系统的跟踪性能；对可能发生的外干扰等不确定性非线性，通过强增益非线性反馈控制予以抑制进而提升系统性能，然而自适应鲁棒控制却容易被系统状态中的噪声所干扰。

总结来说，现有电液伺服系统的控制技术的不足之处主要有以下几点：

(1)采用简单的一阶系统模型。电液伺服系统的模型是非常复杂的，现在常用的一阶模型虽然设计简单，但是忽略了系统内大量的非线性以及内部特性，譬如连接的刚度。这些特性往往会在极限条件下制约系统的性能，在某些情况下，这些未被考虑的调节有可能会使系统失稳，从而造成严重的后果。

(2)基于传统的自适应鲁棒的控制方法所设计的控制器性能有限，对环境的要求较高，并且一般只能得到有界稳定的结果不连续。基于传统的滑模控制方法容易引起滑模面的抖动从而使所设计的控制器不连续，使系统的跟踪性能恶化。

(3)基于一般的自适应鲁棒控制方法存在高增益反馈现象。一般的自适应鲁棒控制器对可能发生的大的外干扰等不确定性非线性，通过强增益非线性反馈控制予以抑制进而提升系统性能。然而高增益反馈易受测量噪声影响且可能激发系统的高频动态进而降低系统的跟踪性能，甚至导致系统不稳定。

发明内容