[发明专利]一种抗扰动两阶段定点伺服控制方法

说明书

本发明涉及一种抗扰动两阶段定点伺服控制方法，首先，把扰动作为一个扩展状态量纳入系统模型，设计一个降阶的扩展状态观测器同时对系统的状态量和扰动进行估计；其次，基于目标给定和观测器估值，设计一个状态不变集，和一个包含状态反馈、给定前馈与扰动补偿的线性伺服控制律；当系统状态处于不变集外部时，则采用模型预测控制，以状态误差和控制量偏差的二次型加权和作为性能指标，终端状态进入不变集作为约束条件。本发明的受控系统将从模型预测控制过渡到线性伺服控制，在约束和扰动条件下实现大范围快速准确的定点控制。

技术领域

本发明涉及工业伺服控制领域，特别是一种抗扰动两阶段定点伺服控制方法。

背景技术

在数控加工和自动装配之类工业应用环境中，通常需要进行大范围的点对点运动控制，这种定点跟踪伺服系统必须在未知负载扰动和有限控制力度的情况下具有快速的响应，以及较低的超调量，而且稳态时的静差要尽量小，才能保证生产的效率和产品的精度。迄今，科研人员为此进行了大量的研究，提出了各种控制方案。但其中的大多数方案，在控制器的设计时没有恰当考虑控制量饱和受限的因素，这样设计出来的控制系统或者过于保守，不能充分发挥系统的潜能，或者过于激进，在实际运行中可能导致不稳定或其他风险。

目前，在工业伺服系统中，主要采用PID控制，但PID控制算法需对系统的误差量提取微分信号，可能引起噪声放大，降低系统的鲁棒性；PID控制在给定的带宽范围内不能同时实现快速响应与低超调，且易产生所谓的积分器饱和现象(Integrator windup)。在石油化工行业中，有些过程控制系统采用了模型预测控制技术，这类控制技术可以在考虑约束条件(如控制量限幅)情况下实现优化控制，但现有的模型预测控制技术并不能直接用于伺服系统，因为伺服系统带有负载转矩之类的未知扰动，需要引入一个抗干扰的措施，才能实现准确的定点伺服控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种抗扰动两阶段定点伺服控制方法,可实现在控制量受限和未知负载条件下对大范围定点目标的准确跟踪。

本发明采用以下方案实现：一种抗扰动两阶段定点伺服控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：把系统的未知扰动作为一个扩展状态量纳入伺服系统模型，根据增广系统模型设计降阶的扩展状态观测器，得到系统原状态向量和未知扰动的估计值；

步骤S2：根据目标给定和观测器估值，设计一个状态不变集以及一个鲁棒线性伺服控制律，所述鲁棒线性伺服控制律包含状态反馈、给定前馈与扰动补偿；

步骤S3：根据目标给定和观测器估值，以状态误差和控制量偏差的二次型加权和作为性能指标，以终端状态进入不变集作为约束条件，设计一个鲁棒模型预测控制律；

步骤S4：当系统状态处于不变集外部时，采用步骤S3中的鲁棒模型预测控制律进行控制，使系统状态趋向不变集；当系统状态处于不变集内时，则采用步骤S2中的鲁棒线性伺服控制律进行平稳控制。

进一步地，步骤S1中，所述伺服系统采用如下的离散时域状态空间模型：

式中，x、u、y、h、d分别为系统的状态量(n维)、控制输入(标量)、测量输出(p维)、受控输出(标量)和未知扰动(标量)；x₀是系统状态量的初始值；A、B、C₁、C₂、E是相应维度的常数矩阵；sat(u)是最大幅值为u_max的饱和限幅函数。

进一步地，步骤S1中，所述根据增广系统模型设计降阶的扩展状态观测器具体包括以下步骤：

步骤S11：设伺服系统模型的测量输出方程中的矩阵为行满秩，即没有重复测量，选择一个矩阵使得矩阵是可逆的；

步骤S12：定义扩展状态向量并假设扰动之值在相邻两个采样时刻没有明显变化，得到如下增广伺服系统模型：