基于觀測器的抗干擾控制策略研究及性能評估.pdf

1、在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題中，不可避免地會受到模型參數(shù)攝動、未建模動態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)間耦合、未知外界擾動等因素的影響，這些因素會使系統(tǒng)的控制精度下降、魯棒性變差甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用帶來了很大挑戰(zhàn)。因此，高性能的魯棒抗干擾控制策略是控制領(lǐng)域永恒的研究課題?；谟^測器的控制是一種有效的抗干擾控制理論框架，該方法以觀測器作為控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，利用被控對象的輸入、輸出信息對系統(tǒng)模型不確定性進(jìn)行估計(jì)，并在外環(huán)控制器中進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證閉

2、環(huán)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
　　在現(xiàn)有的多種觀測器中，干擾觀測器(Disturbance Observer,DOB)和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer,ESO)得到了系統(tǒng)、全面的研究和應(yīng)用。上述兩種觀測器設(shè)計(jì)方法都能夠有效解決抗干擾控制問題，但二者分別基于不同的理論體系進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，對于二者之間的聯(lián)系、區(qū)別和性能差異進(jìn)行分析是十分重要的。因此，本文首先針對DOB和ESO在三類系統(tǒng)中的分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，在上

3、述工作基礎(chǔ)上，對二者的抗擾結(jié)構(gòu)和性能差異進(jìn)行對比研究，從而對如何面向不同類型被控對象和控制任務(wù)進(jìn)行觀測器選擇給出指導(dǎo)意見。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　(1)針對同時(shí)包含時(shí)滯和右半復(fù)平面零點(diǎn)的非最小相位系統(tǒng)，提出一種系統(tǒng)性的魯棒DOB設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化方法?？紤]閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性、擾動抑制性能、相對階次、混合靈敏度性能等設(shè)計(jì)指標(biāo)，建立基于H∞范數(shù)的Q濾波器優(yōu)化方程。通過回路變換，將Q濾波器優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為H∞控制器求解問題，并

4、在虛擬被控對象中引入包含標(biāo)稱模型右半復(fù)平面零點(diǎn)的全通傳遞函數(shù)，使得優(yōu)化得到的Q濾波器滿足內(nèi)部穩(wěn)定性的約束條件。
　　(2)針對狀態(tài)可測的非線性系統(tǒng)，提出一種基于魯棒DOB的干擾抑制控制方法，并研究相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化策略。設(shè)計(jì)包含部分反饋線性化補(bǔ)償器和低通濾波器的DOB，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)外環(huán)反步控制器。分析了外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)、參數(shù)對內(nèi)環(huán)觀測器參數(shù)優(yōu)化的影響，給出保證系統(tǒng)魯棒性的約束條件，進(jìn)而基于H∞理論對DOB的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以飛行器姿態(tài)

5、跟蹤控制問題為例，對提出控制方法的有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　(3)針對狀態(tài)不可測的非線性系統(tǒng)，提出一種廣義ESO設(shè)計(jì)方法。對傳統(tǒng)ESO的干擾抑制性能進(jìn)行分析，揭示系統(tǒng)重構(gòu)策略的本質(zhì)。在對系統(tǒng)等效擾動模態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，最大限度地利用等效擾動的先驗(yàn)信息，降低系統(tǒng)模型的不確定性?；谥貥?gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的廣義ESO能夠?qū)Φ刃_動中已知模態(tài)的分量實(shí)現(xiàn)完全地估計(jì)和補(bǔ)償。最后，基于Lyapunov理論分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。