具有魯棒性的最優(yōu)干擾觀測器的系統(tǒng)性設計及其應用.pdf

1、高性能高精度運動控制是提升機器人行為能力的重要因素之一。隨著對機器人控制性能的要求越來越高，機器人伺服運動控制方法已經從基于單純反饋控制的階段發(fā)展為采用非線性、魯棒、智能控制等先進控制方法的階段。針對機器人受控對象存在強耦合、參數(shù)攝動和未建模擾動等特性，需要采用高效的控制策略才能滿足其對于伺服控制高精度性能指標的要求。干擾觀測器是提高耦合、擾動系統(tǒng)魯棒性的有效的手段，而被廣泛應用于機器人關節(jié)的伺服控制中，以實現(xiàn)高速、高精度的定位控制、跟

2、蹤控制等目標。
　　本文從干擾和噪聲的最優(yōu)抑制角度出發(fā)，研究干擾觀測器最優(yōu)魯棒設計方法及其在控制系統(tǒng)中的應用。具體研究工作包括以下幾個方面：
　　(1)在干擾觀測器設計理論方面，考慮到現(xiàn)有干擾觀測器設計方法缺乏系統(tǒng)性和全局最優(yōu)性的問題,利用H∞范數(shù)定義包括干擾抑制性能、噪聲抑制性能、魯棒性等優(yōu)化性能在內的優(yōu)化評價函數(shù)，通過理論分析和數(shù)學變換，建立了優(yōu)化干擾觀測器的新的系統(tǒng)性求解方法。通過提出虛擬回路成形概念，將干擾觀測器的設

3、計問題變換為等效的虛擬回路成形問題；在此基礎上，深入考察了干擾觀測器Q–濾波器的階次和結構條件(如整體階次、相對階次、內模階次等)，并轉化成虛擬受控對象的結構和加權函數(shù)的階次及構造約束。通過以上變換，可以將帶有多個約束條件的非標準H∞干擾觀測器設計問題轉換為滿足標準性前提條件又不帶結構約束的H∞范數(shù)優(yōu)化問題，以便用直接的系統(tǒng)性求解方法設計優(yōu)化干擾觀測器。
　　(2)針對模型參數(shù)攝動時的魯棒穩(wěn)定性問題，考慮到現(xiàn)有干擾觀測器設計方法只

4、保證局部回路的魯棒穩(wěn)定性，而無法保證整體閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，提出一種帶有干擾觀測器的閉環(huán)反饋系統(tǒng)對受控對象不確定性的魯棒穩(wěn)定性充分條件，在此基礎上，通過選取滿足此充分條件的加權函數(shù)，保證標準H∞干擾觀測器設計方法對于受控對象參數(shù)變化具有魯棒穩(wěn)定性。利用加權函數(shù)選取的自由度，在干擾觀測器的Q–濾波器設計中，實現(xiàn)其在截止頻率上的高峰幅度與干擾抑制性能之間的最佳折衷，使得干擾觀測器在滿足其高峰幅度指標的條件下具有最優(yōu)干擾抑制性能。
　

5、　(3)研究了基于魯棒Q–濾波器調度的干擾觀測器的伺服控制系統(tǒng)，通過分析對象的狀況及控制要求，實現(xiàn)在多個具有不同控制目的的Q–濾波器之間的切換。一般情況下，在一個具有固定低通濾波器的干擾觀測器系統(tǒng)中，無振動無過調的平滑動態(tài)過渡特性和靜態(tài)干擾抑制性能很難同時得到保證。本文提出了Q-濾波器調度干擾觀測器：具有不同功能的多個Q-濾波器根據切換邏輯的結果被切換，使得系統(tǒng)具有無振動過渡特性和更精確的靜態(tài)特性。所有Q–濾波器按照魯棒干擾觀測器設計方