[发明专利]一种基于小波阈值去噪的滑模扰动观测器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于小波阈值去噪的滑模扰动观测器设计方法，用于估计受传感器测量噪声影响下的系统集总扰动。通常，部分扰动观测器使用传统频域滤波器进行传感器噪声的抑制，然而传统频域滤波器在较高频处会使信号产生较大相位延迟和幅值衰减，降低了扰动抑制能力。针对这一问题，本发明使用小波阈值去噪替代传统频域滤波器进行传感器测量噪声的抑制。结果表明，基于小波阈值去噪的滑模扰动观测器能够有效降低传感器噪声对扰动估计的影响，增加扰动观测器有效抑制扰动的频率范围，对较高频率扰动估计结果有更小的均方根误差，提升了系统的扰动抑制能力。

技术领域

本发明属于扰动估计与抑制领域，具体涉及一种基于小波阈值去噪的滑模扰动观测器设计方法，主要用于受传感器噪声影响下的扰动估计，降低传感器噪声对扰动估计的影响，提升扰动观测器的扰动抑制能力。

背景技术

扰动观测器由于能够估计系统外部扰动和/或内部模型不确定性等，提升系统的鲁棒性而被广泛的关注。但是在实际应用中，控制系统数据通常是通过传感器测量得到的，而测量过程引入的传感器噪声将会影响扰动估计的精度，因而为了减小测量噪声对扰动观测器估计精度的影响，有必要设计滤波器来滤除传感器噪声，通常滤波器都采用传统的Q滤波器，如文献《Design of a Disturbance Observer for a Two-Link Manipulator WithFlexible Joints》(J.N.Yun and J.Su.[J].IEEE Transactions on Control SystemsTechnology,2014,22(2):809-815.)、《面向光电跟踪系统的先进运动控制》(任彦.[M].科学出版社.2017)，然而传统的Q滤波器在滤除噪声的同时，也带来了有用信号的相位延迟和幅值衰减，相对其截至频率而言，不受相位延迟和幅值衰减影响的频率范围较小，而滤波造成的相位延迟将严重影响扰动观测器对扰动估计的准确性。对于较宽频率范围内的扰动，Q滤波器带来的消极作用(使扰动估计误差增大)大于其带来的积极作用(使扰动估计误差减小)，虽然可以通过增大截至频率来获得更大的受相位延迟和幅值衰减影响小的频率范围，但是较高的截止频率在增加扰动抑制性能的同时也增加了对传感器噪声的敏感度(《Disturbance-Observer-Based Control and Related Methods-An Overview》Chen WH,Yang J,Guo L,et al.[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015)。因而，需要一种在较宽频率范围内即能够有效抑制传感器噪声又能够不给扰动观测器带来消极作用或带来消极作用小的滤波方案。

发明内容

为了实现本发明的目的，在抑制传感器噪声的同时实现较宽频率范围内高性能的扰动抑制，进一步提升系统的扰动抑制能力，本发明提出一种基于小波阈值去噪的滑模扰动观测器设计方法，相比使用Q滤波器，其在去除传感器噪声的同时，所带来的有用信号的相位延迟和幅值衰减更小，因而可以保证对较高频率扰动具有更小的扰动估计误差。此外，本发明提供一种适用于扰动观测器设计小波阈值去噪时小波基和小波分解层数选取的方法。

本发明采用如下技术方案，一种基于小波阈值去噪的滑模扰动观测器设计方法，步骤如下：

步骤(1)建立系统动力学方程：

其中ω为角速度，为ω的微分，u为控制输入，J，B为与系统有关的参数，d为系统集总扰动。

步骤(2)设计系统的复合控制率为：

其中u_r为闭环控制器输出，为系统集总扰动估计值。

步骤(3)根据建立的系统(1)和复合控制率(2)设计状态观测器为：

其中为ω的估计值，为的微分，l0为观测器增益。