[发明专利]一种数据驱动自适应抗干扰控制器及其估计方法

说明书

本发明公开了一种数据驱动自适应抗干扰控制器及其估计方法，所述控制器结构包括输入控制器、扩张状态观测器、控制增益估计模块和二阶非线性系统，所述二阶非线性系统为控制增益未知的二阶非线性系统。本发明的输入控制器只需要控制增益估计模块输出的参数而不需要控制增益参数b，当二阶非线性系统控制增益未知时，实现了对二阶非线性系统的不确定性和控制增益进行同时在线估计。本发明通过建立了控制增益估计模块，实现了在有限时间内对二阶非线性系统的控制增益进行在线估计。本发明通过引入一个状态跟踪误差信号x_e，实现了对期望状态的有效跟踪，使控制状态收敛于期望状态，有效地保证了参数估计精确度，实现了对二阶非线性系统的精确控制。

技术领域

本发明涉及自适应控制领域，特别是一种数据驱动自适应抗干扰控制器及其估计方法。

背景技术

控制是以适当的控制力来驾驭被控对象，控制的目的是使其运动在各种扰动作用之下也能按期望的方式，即按照给定的目标轨迹或设定值变化。对于一个被控对象来说，他的期望行为与实际行为之间存在一种误差，如何消除这种误差，是控制理论研究的核心问题。过去，人们常使用基于误差控制的PID(比例、积分、微分)控制器来消除控制器误差，PID控制器原理为误差的“过去、现在的状态和将来的变化趋势”加权之和。PID控制器因其结构简单、实用面广、鲁棒性强等优点受到工业领域的欢迎。但是，PID控制器同样存在闭环系统中需经常改变增益、快速性与超调相矛盾、微分信号不易获取、积分反馈的时变扰动抑制不显著的缺点，这些缺点制约了PID控制器的控制能力。

近些年来，随着现代控制理论的发展，人们将影响被控输入的扰动作用扩张成新的状态变量，通过建立特殊的反馈机制来观测被扩张的状态，这种方法被称为扩张状态观测器。基于扩张状态观测器的控制方法不依赖于生成扰动的具体数学模型，也不需要直接测量其作用，在某种意义上，是通用而实用的扰动观测器。但是，现有的基于扩张状态观测器的控制方法依然存在以下问题：

第一，在现有的基于扩张状态观测器的自适应抗干扰控制器的方法中，设计控制信号时需要用到控制增益，当非线性系统控制增益未知、且控制增益不易获取时，不能输出有效的控制信号，无法完成控制器控制输入的设计。

第二，在现有的基于扩张状态观测器的自适应抗干扰控制器的方法中，系统只能依赖于外部控制输入，不能实现对期望状态的有效跟踪，无法保证实际状态收敛到期望状态。同时不能在有限时间内适应状态参数的变化，不能有效保证非线性系统的实时性。

第三，在现有的基于扩张状态观测器的自适应抗干扰控制器的方法中，仅仅能估计系统的不确定性，不能同时估计系统的控制输入增益。控制输入增益时反映系统控制输入的大小的重要参数，对非线性系统的不确定性和控制增益同时进行估计使整个系统需要的参数更少，能适应更复杂的工况。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要设计一种不仅能控制未知二阶非线性系统，还能对其不确定性和控制增益进行在线估计的数据驱动自适应抗干扰控制器结构及其估计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种数据驱动自适应抗干扰控制器，包括输入控制器、扩张状态观测器、控制增益估计模块和二阶非线性系统，所述二阶非线性系统为控制增益未知的二阶非线性系统，所述输入控制器的输入端分别与二阶非线性系统的输出端、控制增益估计模块的输出端和外部期望参数相连；所述扩张状态观测器的输入端分别与输入控制器的输出端和二阶非线性系统的输出端相连；所述控制增益估计模块的输入端分别与输入控制器的输出端、二阶非线性系统的输出端和扩张状态观测器的输出端相连；所述二阶非线性系统的输入端与输入控制器的输出端相连。

一种数据驱动自适应抗干扰控制器的估计方法，包括以下步骤：

A、建立一个控制增益未知的二阶非线性系统

所述二阶非线性系统用下式描述：