[发明专利]一种改进型自抗扰控制器

说明书

本发明公开了一种改进型自抗扰控制器，具体包括跟踪微分器Tracking Differentiator，变增益微分器Exchange‑High Order Differentiator，非线性状态误差反馈控制律Nonlinear State Error Feedback；跟踪微分器根据控制系统的承受能力对输入信号进行过渡，并且产生输入信号的微分信号；变增益微分器EHOD对系统的各阶状态量进行观测；最后将跟踪微分器的微分信号和变增益微分器的观测信号通过非线性误差反馈控制律得出系统的控制信号补偿系统扰动和提高控制性能；本发明所设计的改进型自抗扰控制器采用增益微分器来替代扩张状态观测器进行系统状态观测反馈，其调节参数少、设计简单，能够精确地对被控系统状态和扰动量进行观测，并且具有较好的量测噪声抑制能力。

技术领域

本发明属于伺服系统控制领域，涉及一种改进型自抗扰控制器。

背景技术

伺服系统是一种运动反馈控制系统，广泛应用于高精度数控机床、工业机器人、汽车无人驾驶、国防军事装备等多个领域。非线性摩擦力的扰动导致伺服系统响应出现爬行、振荡或稳态误差等问题，是影响伺服系统性能的主要因素。采用摩擦力补偿控制方法可以减小或消除扰动的影响，提高伺服系统的性能。

现有的摩擦力补偿控制方法主要包含两类补偿方法：基于摩擦模型和不基于摩擦模型。基于摩擦模型的补偿方法首先识别和建立合适的摩擦模型，然后对系统施加与摩擦力相反的控制力，从而消减摩擦干扰的影响。不基于摩擦模型的补偿方法采用各种控制算法来改善系统的控制结构或控制参数来提高干扰抑制的能力，降低摩擦干扰的影响。由于无法精确获知摩擦模型，在实际工程应用中广泛采用不基于摩擦模型的补偿方法。其中，比例积分微分控制器(Proportion Integral Differential Controller，PID)控制结构简单，不需要掌握系统模型等优势在工程上得到了广泛的应用，但其存在积分反馈滞后、鲁棒性差等问题限制了该方法的控制性能和应用范围。为了减小或消除扰动的影响，伺服系统中引入模糊控制、重复控制和滑膜控制等技术了改善系统性能。然而，模糊控制依赖于模糊规则的制定，重复控制仅对周期性扰动补偿比较明显且需要一定的运行周期，滑模控制必须抑制“抖振”现象等问题。上述问题导致这些方法在实际工程应用中存在局限性。自抗扰控制技术能够实时估计并补偿系统运行时受到的各种外部和内部扰动，解决了积分反馈滞后、鲁棒性差以及线性组合会产生超调和快速性的矛盾等问题。然而，作为自抗扰控制技术中实现扰动观测估计的核心部分，扩张状态观测器存在待调参数过多的问题，增加了参数整定的复杂性，给自抗扰控制器的设计实现造成了很大的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进型自抗扰控制器，能够观测和补偿转台伺服系统的非线性摩擦力，有效提高伺服转台系统的响应速度和跟踪精度。

本发明所采用的技术方案是，一种改进型自抗扰控制器，具体包括跟踪微分器Tracking Differentiator，变增益微分器Exchange-High Order Differentiator，非线性状态误差反馈控制律Nonlinear State Error Feedback；

跟踪微分器根据控制系统的承受能力对输入信号进行过渡，并且产生输入信号的微分信号；

变增益微分器EHOD对系统的各阶状态量进行观测；

最后将跟踪微分器的微分信号和变增益微分器的观测信号通过非线性误差反馈控制律得出系统的控制信号补偿系统扰动和提高控制性能。

本发明的特点还在于：

其中跟踪微分器TD能够平缓跟踪输入信号，减小超调和加快控制速度，并且输出其微分信号用于反馈控制，具体函数如下：