[发明专利]一种同时估计系统状态和扰动输入的输出反馈控制方法

说明书

本发明公开了一种同时估计系统状态和扰动输入的输出反馈控制方法，涉及自动化控制领域，特别是系统状态不可测或测量受限条件下，空间机械臂的轨迹跟踪鲁棒控制。本发明方法对解决部分状态不可测或测量受限系统的鲁棒控制问题，将LSO与UDE结合，利用其之间存在的耦合，在提升系统控制性能的同时，扩大了LSO增益参数的选取范围，所设计的参数映射大大简化了控制器调参问题，即可以实现单参数调节系统误差。

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别是系统状态不可测或测量受限条件下，空间机械臂的轨 迹跟踪鲁棒控制。

背景技术

不确定干扰估计器(UDE)是由Qing-Chang Zhong等人于2004年提出的一种针对模型 不确定性和干扰的估计方法。该方法提出的初衷是解决时延控制(TDC)方法存在的控制信号 高频抖振问题，其核心思想是利用一个合适的滤波器在频域对集总干扰进行估计，进而在控制 器设计中对其进行补偿抑制。近些年来，不确定干扰估计器(UDE)因其简单有效而逐渐受到 国内外许多研究者的关注，已经应用到变速风机控制、主动磁轴承控制、电力电子变换器控制、 以及无人机控制中。需要指出的是，目前基于不确定干扰估计器(UDE)的控制技术大多基于 状态反馈进行控制器设计(即要求系统全状态可测)，而实际工程应用中，系统的状态往往是 不可测或测量受限的，系统的输入和输出可测，如空间机械臂控制系统，其配备的传感器往往 只能提供位置(或角度)测量，而不能提供线(或角)速度测量，由于如何将基于不确定干扰 估计器(UDE)的控制技术扩展应用到输出反馈情景，即仅利用系统的输入输出信息(系统的 状态不可测或测量受限)，具有重要的理论价值和实际意义。

针对许多实际工程系统模型的状态变量不可测或测量受限的问题，利用Luenberger状态观 测器(LSO)技术来估计系统状态，使其适用于基于输出反馈的控制器设计，是一种有效的技 术手段且得到了广泛应用。针对系统状态不可测或测量受限但全维可观，系统输出矩阵已知， 系统输入和输出可测，可利用标称模型构造线性观测器模型，根据Luenberger原理，引入观测 器增益构造闭环系统，进而利用极点配置方法设计观测器增益以保证渐进稳定的状态重构效果， 实现系统状态的有效估计。目前，应用于空间机械臂鲁棒控制，基于Luenberger状态观测器 (LSO)技术设计的控制器往往较为复杂，控制参数难以整定，Luenberger状态观测器(LSO) 的增益选取往往只能为正数，且没有考虑在Luenberger状态观测器(LSO)中对不确定和干扰 进行补偿以提升Luenberger状态观测器(LSO)状态估计的精度，进而提升控制效果。目前， 尚未有将确定干扰估计器(UDE)技术与Luenberger状态观测器(LSO)技术结合，并在Luenberger状态观测器(LSO)中引入不确定干扰估计器(UDE)输出进行补偿的技术手段被 提出，也未有相应应用，该发明弥补这一空缺。

专利201610506951.5公开了一种基于干扰补偿器的PID参数整定方法，涉及将传统PID 控制方法中的比例增益K_P、积分增益K_I、微分增益K_D分别表示为：

k_p表示虚拟比例增益，k_d表示虚拟微分增益，T表示虚拟滤波常数；

该专利相对于本发明不具有与引入不确定干扰估计器(UDE)输出的Luenberger状态观 测器(LSO)技术结合的方法，且不能适用于系统状态不可测或测量受限的情况。

发明内容

针对背景技术的不足之处，本发明改进设计一种能解决背景技术中系统状态不可测或测量 受限条件下的鲁棒控制问题，在用于空间机械臂控制时能同时估计系统状态和扰动输入的输出 反馈控制方法。

本发明技术方案为一种同时估计系统状态和扰动输入的输出反馈控制方法，该方法用于空 间机械臂的轨迹跟踪控制系统，该系统的动力学模型为：