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自抗扰控制器的设计与应用分析.pdf

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哈尔滨理T大学工学硕一卜学位论文stably and smoothly when it works at a very low speed.This paper introducesStribeck friction model,and redesigns the active disturbance rejection controllerfor test table.At last,the contrast between the active rejection control and classiccontrol shows its good control perance.Keywordsthe active disturbance rejeCtion controller,output improvement,Stribeck friction model,test table..IIl-哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文自抗扰控制器的设计与应用研究,是本人在导师指导下,在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名孟fL东 日期z,矿1年年月3日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书自抗扰控制器的设计与应用研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密,口在 年解密后适用授权书。不保密呸请在以上相应方框内打√作者签名 盂孔羔 同期2 p护1年呼月g日导师签名;;叹{珞 日期碲≯月卯哈尔滨理T大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景和意义导弹与航天技术是现在科学技术中发展最快的高技术之一,早期的飞行器包括导弹在研制过程中,需要进行多次的现场实验,这不仅浪费了大量的人力,物力和财力,而且由于各种干扰因素的影响和环境的限制,很难得到准确和完整的实验数据和规律。因为飞行器的结构复杂,造价昂贵,在使用过程中一旦出现问题,必然造成重大损失,甚至造成人员伤亡,所以对飞船,飞行器,导弹的实时跟踪,对其飞行姿态的模拟就至关重要了。惯性导航系统通常由陀螺、加速度计等元件组成【I】,而惯性系统的精度在很大程度上取决于陀螺仪的精度,陀螺仪可以说是惯性导航系统的心脏。因此鉴定陀螺仪的质量及技术性能是极为重要的。为了评定陀螺仪的质量,必须对陀螺仪漂移角速度进行测试,从而对其有规律的漂移和随机漂移作精确的分析,在此基础上对陀螺仪误差补偿和改进。对陀螺仪的精度要求越高,那么对陀螺仪测试的要求也就越高。因此,提高陀螺仪测试设备精度,改进测试技术就成为需要迫切解决的问题。目前,陀螺仪的测试多用伺服法,而转台就成为陀螺仪测试的主要设备。转台是以控制论、相似原理、系统技术和信息技术为基础,利用计算机和专用物理设备为工具,为飞行器实验提供试验平台的专用设备。它具有良好的可控性、无破坏性、安全性、不受气象条件和空域场地限制等优点,在航空、航天和国防等领域得到了广泛的应用。转台根据用途可分为仿真转台和惯性测试转台。高精度惯性测试转台,主要用于惯性导航系统如陀螺、加速度计的检测和标定。自抗扰控制器ADgC是中科院韩京清研究员经过多年潜心研究,发展和完善的一种非线性自适应控制器。它具有独立于对象模型的非线性固定结构和超调小、响应速度快、精度高、抗扰能力强及算法简单等特点,其被调参数物理意义明确,易于整定参数,算法简单,是实现高速、高精度控制的理想数字控制器,无须测量外扰而能消除其影响,对象模型已知更好,未知也无妨,是适用于工程的一种新型控制器【2 3】。提高测试转台的精度应该从以下两方面入手1.引入先进的控制方法;2.改善测控系统本身元器件及电子线路的精度,本课题所做的研究属哈尔滨理工大学工学硕士学位论文于第一方面。将自抗扰控制器应用于测试转台,并将其与经典控制的控制效果进行比较,通过仿真结果分析自抗扰控制器用于测试转台控制的可行性并比较其与经典控制作用于转台的优缺点,这将是很有实际工程意义的尝试。1.2自抗扰控制器的发展概况70年代以来,韩京清教授经过对线性系统理论的深入研究,发现一个系统的积分串联型结构不仅是线性系统在线性反馈变换下的标准结构,也是一类非线性系统在非线性反馈变换下的标准结构。同样,对一类自由非线性系统,也可以设计其观测器,使得其在非线性观测变换下的标准形为积分串联型。80年代后期,韩京清教授又讨论了一类非线性控制系统的基本问题。说明了一个系统是线性还是非线性并不重要,重要的是它有没有可控可观的基本性质。这是一个系统更本质更有用的结构性质。以此为基础,韩京清教授提出了控制理论中更为基本的问题控制理论的发展到底是走模型论还是控制论的道路他指出寻求和利用某些具有典型特性的非线性环节是值得重视的问题,这是自抗扰控制器产生的思想来源。90年代初期,韩京清教授致力于一些特殊的非线性功能单元的开发。成功研究开发出非线性跟踪微分器Tracking.Differentiator,TDt4J从极点配置等线性配置观念转移到非线性【5】配置上,因为适当的非线性配置能显著改善系统的品质f6】。据此,对模型已知的对象,用反馈效应的观点,给出了建立非线性状观测器【7】的方法,并用这种状态观测器和非线性配方法实现了非线性系统的状态反馈控制【8】。数值仿真表明,这种非线性状态观测器跟踪能力很强,控制系统的非线性配置明显改善闭环品质。这种思想亦可推广到对象模型未知或者结构已知参数未知的系统[91。此外,分析经典PID调节器的结构,发现其中三个方面的问题有待改进【101。据此,韩京清教授提出利用跟踪微分器安排过渡过程,采用适当的非线性组合以及反馈律等相应的改进措施,提出新型的非线性PID控制【ll】算法,这种控制器具有很强的适应性和鲁棒性,数值仿真验证了这种非线性PID的有效性[12,13】接着,在文献[14]提出了一种观测器形式的跟踪微分器,并将其有效地用于不确定性系统的状态估计器和非线性系统时变参数的估计上。这种对不依赖于不确定对象模型的控制方法事实上已经是自抗扰控制器的雏形了【1 51。90年代中期,对观测器形式的跟踪微分器进行改造而获得了一类不确2哈尔滨理T大学-T学硕十学位论文定对象的扩张状态观测器Extended State Observe,ESOt161。ESO不仅能得到不确定对象的状态,还能获得对象模型中的内扰和外扰的时实作用量,如果将这个时实作用量补偿到控制器中,那么非线性PID中的积分作用就可以取消,再进一步将控制器用于高阶对象的控制时,非线性状态误差反馈律Nonlinear State Error Feedback,NLSEFt171这种新的控制律便产生了。由此,自抗扰控制器【体1成形了。自抗扰技术已在我国电力系统、电机调速、飞行器姿态控制、机器人控制等诸多领域得到了实际应用U9-261,取得了显著的社会效益和经济效益。2004年9月在日本成功地实现了微型机械Micro.Slide的精度为纳米级的位移控制;2002年在美国给NASA解决了航天太阳发电装置中的稳压控制问题取得很好效果;2004年在NASA开发的喷气发动机仿真系统中运用自抗扰控制技术进行的喷气发动机控制实验取得了令人振奋的效果,目前对ADRC的参数整定、变参数控制以及在高阶系统应用等方面研究127-32】的比较广泛。但是,关于自抗扰控制技术还有很多问题需要完善,比如1.由于扩张状态观测器采用输出误差的非线性连续校正结构而不是极点配置,因而不能用极点配置或代数Lyapunov方程等通常用于线性观测器或变结构观测器的分析方法对扩张状态观测器进行理论分析。目前关于二阶扩张状态观测器已经有了比较完整的结果,如何对三阶扩张观测器进行理论分析的工作还有待完善;2.最速微分跟踪器的离散形式的高阶形式还有待于深入研究;3.目前关于自抗扰控制器的工程应用主要以一、二阶被控对象为主,高阶被控对象的自抗扰控制器有待于进一步研究。1.3转台的发展概况因为转台不仅在航空航天方面具有一定的优越性,而且还广泛应用于机械化工、测量、勘探等民用领域。所以各发达国家如美国、俄罗斯、德国、法国等都投入了大量资金和人力从事惯性测试转台的研制。美国是世界上最早研制和使用惯性转台的国家【331,其制造水平处于世界领先地位,代表了当今世界惯性转台发展的最高水平。世界第一台转台于1945年诞生于麻省理工学院,这种转台后来被命名为A型转台。随后在1950年投入使用的B型转台和1953年投入使用的C型转台是A型转台的改进,使用精密齿轮系代替了直接驱动装置,以后又发展了D型、E型转哈尔滨理工大学-T学硕士学位论文台,但拖动系统并无多大的改进。六十年代初期和中期的转台改进之处主要在于采用了空气轴承和交流力矩电机直接驱动,因而摩擦减少而大大提高了转台的位置精确度和速率平稳性。1968年以后,美国转台的设计和制造进入了系列化阶段。从那时起至今,位于宾夕法尼亚州匹兹堡的康特维斯一戈尔兹公司简称CGC成为美国制造导航测试设备和运动模拟系统的主要厂商。CGC公司于60“70年代初研制并生产了51系列转台,其主要特点是台体结构为双轴式,采用气浮轴承,从70年代初开始,CGC公司着手研制并生产系列多轴陀螺测试转台,1972年研制成功了53D型和53E型转台,1979年为西德航空航天研究院研制成功了53G型转台。53系列转台台体的形式均为多轴,其中53B型为四轴惯性制导测试系统,53D、53E、53G、53W型均为三轴转台,均采用了气浮轴承,轴系回转精度和正交精度均达到了角秒级,使用感应同步器作为测角元件,测角精度和定位精度均达到了l角秒。1984年,CGC公司提出了“高精度三轴测试台I丑盯T”的设计方案。在此方案中,确定ITATT是一台超精密三轴测试设备,它能够评定下一代惯性系统和惯性元件,能够测试下一代天体/空间定位仪表,其三轴综合指向精度S0.1角秒,0.0010Is至2000/s下的瞬时速度误差51PPM,这一指标比当时的惯导测试台几乎提高了30倍。除了美国之外,德国也开展了对仿真转台的研制。如德国的MBB公司研制的转台也达到了世界领先水平。还有俄罗斯研制的转台等等,在此不一一赘述。纵观美国的惯性系统测试设备的发展历史可以看出台体向多轴化发展,定位向更高的精度发展,速度范围向低速段、高速段发展,设备向标准化、系列化发展,伺服系统的控制则由模拟控制向计算机数字控制方向发展。我国的转台起步于1965年,比美国的转台研制晚了将近二十年,但是我国的转台的发展很快。1974年707所研制成功了我国的DT-1型转台,1975年由303所研制成功了SFT-1型转台,这种转台的性能指标与美国的CGC的性能指标相似,1980年由哈工大、441厂、6354所共同研制成功了TPCT-II型双轴伺服台,其双轴均采用气体静压轴承。1982年由6354所共同研制成TPCT-II型双轴转台。1985年由七机部十三所研制成功了SSFT伺服转台是我国研制的最大的双轴伺服台,它可以用来测量漂移率为O.01 o/J|I的双自由度陀螺、三自由度陀螺及加速度计。1986年由哈工大研制成功的DPCT-II型单轴转台,是我国研制的第一台计算机控制转台,其伺服控制采用了数字/模拟混合控制,定位精度达到了1.58角秒。1989年哈工大研制成4哈尔滨理工大学rT学硕士学位论文功了GZT双轴位置转台。1993年航空航天部303所研制成功了SGT-1型三轴转台[34,35]。哈工大仿真中心自1994年以来为航天航空等领域研制了不同类型的十多套各种转台,解决了仿真转台许多关键技术,技术达到了国际先进水平。我国目前所研制的惯导测试设备基本上采用模块化、标准化测量控制系统。现在正在开发第二代总线方式的模块化、标准化的测量控制系统,并且已向工程化方向发展。模块化、标准化的测控系统是可靠性和稳定性的关键保证措施。这种系统不仅稳定、可靠,而且开发方便、维护容易,给用户和生产者都带来了极大的便利。总的来说,我国的转台的发展还是比较迅速的,测试效率和精度都有了很大的提高。尽管如此,仍然与世界先进水平存在差距,表现在1.角度、角速度、角加速度传感器的精度和动态性能方面;2.驱动马达的低速性能方面;3.转台台体制造工艺及安装方面;4.控制技术方面。所以,研究高精度的转台,设计高可靠性、高稳定性的测控系统,是我们研究的主要目的。1.4论文的主要研究内容本文通过对自抗扰控制器的研究,提出了将自抗扰控制器应用到测试转台的控制系统,并且对测试转台自抗扰控制器设计进行了改进;针对测试转台在低速工作时会出现低速不平稳性问题,引入了Stribeck摩擦模型对测试转台进行了自抗扰控制控制器设计。本文主要研究以下几个方面的内容1.自抗扰控制技术的理论基础深入分析了自抗扰控制技术的理论基础跟踪微分器TD,扩张状态观测器ESO,非线性状态误差反馈律NLSEF的基本原理,重点分析了微分跟踪器在安排过渡过程、配置系统零点方面的应用以及扩张状态观测器在动态补偿线性化中的应用。2.分析了离散自抗扰控制算法的实现问题,给出了便于参数调节的M文件实现形式和形象直观的S函数模块实现形式。总结了自抗扰控制系统的设计方法。最后,针对simulink环境下参数调节困难的问题在附录中给5哈尔滨理工大学工学硕士学位论文出了用于辅助参数调节的M文件源代码。3.测试转台的自抗扰控制控制器设计把自抗扰控制器引入对测试转台的控制。在控制电机存在低频大力矩扰动的情况下,通过仿真表明了与经典控制比较自抗扰控制器对这种扰动的抑制能力更强,控制精度更高,并且在深入分析自抗扰控制动态特性的基础上,从控制能量的角度出发提出了测试转台的输出改进自抗扰控制器设计;对影响转台低速性能的因素进行了分析,针对测试转台在低速工作时会出现低速不平稳性问题,引入了Stribeek摩擦模型对测试转台进行了自抗扰控制的数值仿真,仿真结果表明了自抗扰控制器可以完成对低速摩擦的实时估计和补偿从而达到比较满意的控制精度,抗扰性明显优于经典控制。6哈尔滨理工大学工学硕上学位论文第2章自抗扰控制技术的理论基础自抗扰控制器在具体实现的时候,主要采用跟踪微分器、非线性反馈律和扩张状态观测器的相关理论,作为自抗扰控制技术的理论基础。本章在分析经典PID优缺点的基础上,详细阐述了自抗扰控制技术的理论基础。2.1经典PID控制的优缺点经典PID控制是以系统输出量与参考输入量之间的误差信息来确定消除误差的反锁律,即以误差及其微分、积分的加权和来产生控制信号。“fkretki【erd什幻毒O 2一1其中,et’,f一yf是控制系统参考输入量’,f与被控对象输出量yf之间的差值,kp为比例增益,岛为积分增益,屯为微分增益。经典PID控制系统的结构图如图2.1。图2.1经典PID控制系统的结构图Fig.2-1 Block diagram of classic PID control system虽然,给定的PID控制规律所能控制的线性对象是很大的一类,但是闭环系统的动态品质对PID参数增益很敏感,这也就是为什么当实际控制中发生参数摄动或者存在较强外扰时需要经常调整PID参数的根本原因。PID控制器的结构简单,参数调节比较容易,因而在工业控制中得到了广泛的应用。然而当系统对象的参数变化范围较大或非线性效应显著时,经典PID控制难以达到满意的控制效果,暴露出了其自身存在的一些问题1.误差的取法etyf一yf,使得初始时刻误差较大,容易造成控制7哈尔滨理T大学T学硕.卜学位论文系统快速性和超调的矛盾。2.实际问题中,参考输入量’,f一般不可微,甚至不连续,并且yf中又常常存在噪声污染,因而et ,f一yt通常是不可微的,其微分信号难以利用,因而限制了PID控制器的应用。3.“加权和“策略不一定最好,线形组合的方式常常会引起系统快速性和超调量之间的矛盾。4.积分反馈有许多负作用。PID控制器的积分作用是为消除系统静而引入的,但它同时也增加了系统的不稳定性,还可能引起积分饱和现象。2.2跟踪微分器2.2.1线性跟踪微分器在经典控制理论中,对给定信号的微分信号是用如下微分环节y吣V高y歹1y一击V2-2得到的,式中是r比较小的时间常数。式2.2的拉氏反变换为J,f素1,f一-f≈素’,f一vt一丁≈pO 2-3当然,时间常数丁越小,输出J,f越接近微分谚f。这就是微分环节22的数学含义。当输入信号’,f被均值为0的高频随机噪声刀f所污染时少∽≈;㈨州沪yf一乃】亍1㈨叫f棚州f】叫f专础2-4即输出信号yf是输入信号’,f的微分信号上叠加上放大了1/丁倍的噪声信号,从而r越小,噪声放大越严重,完全可以淹没微分信号谚f,这就是经典微分环节的噪声放大效应。为了消除经典微分环节的噪声放大效应,我们用一种微分近似公式来替代原微分环节2·2,其具体表达式如式2.5。 tf≈vt-r1-vt-r2,0‘r202.5f2一Zl如果时间常数‘,吒很接近常数f,并记,./,-,式2·5的传递函数可
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