[发明专利]完全解耦的自抗扰控制系统及其参数整定方法

说明书

本发明公开一种完全解耦的自抗扰控制系统及其参数整定方法，该自抗扰控制系统包括被控对象和自抗扰控制器，其中，自抗扰控制器包括反馈控制器、系统惯性环节、解耦滤波器和观测器；该控制系统通过引入解耦滤波器，解决了传统自抗扰控制器的跟踪性能与抗扰性能部分耦合的问题，使得参数整定过程更加简便易行，并且消除了跟踪性能对抗扰性能的影响，进一步提高了系统的抗扰性能。

技术领域：

本发明属于自动化技术领域，特别涉及一种完全解耦的自抗扰控制系统及其参数整定方法。

背景技术：

PID控制器因其结构简单、稳定性好、工作可靠且调整方便而广泛应用在工业控制领域。但在电机控制、电源控制以及飞行器控制等领域，被控对象除了要跟踪给定信号外，还需要抵抗外部扰动并尽可能地降低其影响。而PID控制器的跟踪性能和抗扰性能之间存在矛盾，调节PID控制器的参数获得较强抗扰性能的同时会恶化跟踪性能，这是因为PID控制器的跟踪性能和抗扰性能互相耦合，是一种单自由度控制器。因此，有学者提出了二自由度控制器，其中自抗扰控制器(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)具有较好性能和简洁的结构，在提升控制器跟踪性能和抗扰性能的同时也使控制器跟踪性能和抗扰性能之间部分解耦。自抗扰控制器利用观测器对被控对象的未知扰动进行观测，设计反馈控制器实现快速的给定跟踪，具有参数设计简单、跟踪性能好、抗扰性能强等优点，在控制领域正逐渐替代传统的PID控制器。但由于传统自抗扰控制器具有非线性结构且待整定参数多，其参数整定过程繁琐且难度也较大。202110644187.9号的发明专利提供一种自抗扰控制器及其设计方法，虽然其性能较大，但其中的非线性结构极大地提高了参数整定的难度。202011460288.2号的发明专利申请提供一种基于模糊控制的线性自抗扰控制器，该控制器融合了模糊控制，对于大迟延对象的控制具有明显优势，但是需要确定模糊规则，提高了控制器设计的难度。

为此，有学者提出了线性自抗扰观测器，极大地降低了自抗扰控制器的设计和参数整定难度，同时也具有较好的性能。线性自抗扰控制器的跟踪性能与抗扰性能部分解耦，其反映的是系统的跟踪性能仅与反馈控制器的结构和参数有关，抗扰性能则受到反馈控制器和观测器两方面的影响。因此，在参数整定过程中必须先调节系统的反馈控制器参数以获得满意的跟踪性能，然后调节观测器参数以获得满意的抗扰性能。然而，当系统需要获得更好的跟踪性能再次调节反馈控制器参数时，由于部分耦合的存在，抗扰性能也会受到影响，需要再次调节观测器的参数，从而加大了参数整定的工作量，使得这一过程更加繁琐了。

由于低阶线性自抗扰控制器比高阶线性自抗扰控制器使用更简单，调节参数更少，使用一阶或二阶线性自抗扰控制器更广泛。201910328236.0号的发明专利提供一种降阶自抗扰控制器及其建立方法，该控制器结构简单，参数整定容易，但是无法完全消除高阶扰动的影响。

发明内容：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种完全解耦的自抗扰控制系统。

本发明的另一目的在于提出一种完全解耦的自抗扰控制系统的参数整定方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种完全解耦的自抗扰控制系统，包括被控对象和自抗扰控制器，所述自抗扰控制器包括反馈控制器、系统惯性环节、解耦滤波器和观测器；

设定值x与解耦滤波器的输出做减法比较后作为反馈控制器的输入，反馈控制器的输出与观测器的输出做加法后分三路，一路作为系统惯性环节的输入，第二路作为观测器的第一路输入，第三路作为解耦滤波器的第一路输入；系统惯性环节的输出与扰动做减法后作为被控对象输入，被控对象输出与反馈噪声做减法后，输出分两路，一路作为观测器的第二路输入，另一路作为解耦滤波器的第二路输入；

所述解耦滤波器包括指令解耦滤波器和反馈解耦滤波器；所述解耦滤波器的第一路输入作为指令解耦滤波器的输入，解耦滤波器的第二路输入作为反馈解耦滤波器的输入，指令解耦滤波器的输出与反馈解耦滤波器的输出做加法后作为解耦滤波器的输出；