本申请涉及自抗扰控制技术领域，特别涉及一种自适应自抗扰控制方法、装置及设备。
背景技术
自抗扰控制(auto/activedisturbancesrejectioncontroller，adrc)是自上世纪九十年代发展起来的一种非线性控制算法，致力于解决一些复杂非线性系统特别是时滞系统的控制问题。
尽管在非线性系统控制方面，传统的自抗扰控制算法已经取得了优于pid等方法的控制效果，但是经研究发现，自抗扰控制算法的控制性能对被控对象的系统参数(例如被控对象的稳态增益和时滞时间)较为敏感。因此，被控对象的系统参数的变化将严重影响到传统自抗扰控制方法的控制效果。
为此，如何设计一种自适应自抗扰控制方法，以便有效改善对系统参数变化的时滞系统的控制效果，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本申请的目的在于提供一种自适应自抗扰控制方法、装置及设备，以便有效地改善对系统参数变化的时滞系统的控制效果。
为解决上述技术问题，本申请提供一种自适应自抗扰控制方法，包括：
将控制系统的输入信号输入至跟踪微分器以计算获取所述输入信号的跟踪信号和微分信号；
将被控对象的参数改变量输入至控制器增益补偿器以计算获取控制器增益补偿量；并将所述控制系统的控制器增益初始值与所述控制器增益补偿量的和作为补偿后的控制器增益；
将所述控制系统的输出信号和总控制量和所述补偿后的控制器增益输入至扩展状态观测器，以计算获取第一状态估计值和第二状态估计值和总扰动估计值；
计算所述跟踪信号与所述第一状态估计值的差值作为跟踪误差信号；计算所述微分信号与所述第二状态估计值的差值作为微分误差信号；将所述跟踪误差信号和所述微分误差信号输入至pd控制器以计算获取pd控制量；
根据所述pd控制量和所述总扰动估计值和所述补偿后的控制器增益计算所述总控制量；并将所述总控制量输出至被控对象，以便对所述被控对象进行控制。
可选地，所述跟踪微分器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；v(t)为所述输入信号；v1(k)为v(t)的跟踪信号；v2(k)为v(t)的微分信号；t1为所述跟踪微分器的积分步长；r1为所述跟踪微分器的速度因子；h1为所述跟踪微分器的滤波因子。
可选地，所述被控对象的参数改变量包括被控对象增益改变量和时滞时间改变量；所述控制器增益补偿器的表达式为：
δb0＝α(δk·τ+δτ·k+δk·δτ)；
其中，δb0为所述控制器增益补偿量；α为增益补偿系数；δk为所述被控对象增益改变量；k为被控对象增益初始值；δτ为所述时滞时间改变量；τ为时滞时间初始值。
可选地，所述扩展状态观测器的表达式为：
其中，y(k)为离散态的所述输出信号；u为所述总控制量；t2为所述扩展状态观测器的积分步长；z1(k)为所述第一状态估计值；z2(k)为所述第二状态估计值；z3(k)为所述总扰动估计值；β1、β2和β3均为状态观测系数；f为采样频率；b′0为所述补偿后的控制器增益，b′0＝b0+δb0，b0为所述控制器增益初始值，δb0为所述控制器增益补偿量。
可选地，所述将所述控制系统的输出信号和总控制量和所述补偿后的控制器增益输入至扩展状态观测器包括：
将所述输出信号输入至滤波器以获取滤波后的输出信号；
将所述滤波后的输出信号和所述总控制量和所述补偿后的控制器增益输入至所述扩展状态观测器。
可选地，所述滤波器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；y(t)为时域中的所述输出信号；x1(k)为y(t)的跟踪信号；x2(k)为y(t)的微分信号；t3为所述滤波器的积分步长；r2为所述滤波器的速度因子；h2为所述滤波器的滤波因子；y1(k+1)为离散态的所述滤波后的输出信号。
可选地，所述将所述滤波后的输出信号和所述总控制量和所述补偿后的控制器增益输入至所述扩展状态观测器包括：
将所述滤波后的输出信号输入至时滞补偿器以计算获取时滞补偿后的输出信号；
将所述时滞补偿后的输出信号和所述总控制量和所述补偿后的控制器增益输入至所述扩展状态观测器。
可选地，所述时滞补偿器的表达式为：
y2(t)＝eτ′y1(t)；
其中，y1(t)为时域中的所述滤波后的输出信号；y2(t)为时域中的所述时滞补偿后的输出信号；τ′为变化后的时滞时间，τ′＝τ+δτ，τ为时滞时间初始值，δτ为所述时滞时间改变量。
本申请还提供了一种自适应自抗扰控制装置，包括：
跟踪微分器：用于根据控制系统的输入信号计算获取所述输入信号的跟踪信号和微分信号；
控制器增益补偿器：用于根据被控对象增益改变量和时滞时间改变量计算获取控制器增益补偿量；以便将所述控制系统的控制器增益初始值与所述控制器增益补偿量的和作为补偿后的控制器增益；
扩展状态观测器：用于根据所述控制系统的输出信号和总控制量和所述补偿后的控制器增益，计算获取第一状态估计值和第二状态估计值和总扰动估计值；
pd控制器：用于将所述跟踪信号与所述第一状态估计值的差值作为跟踪误差信号，将所述微分信号与所述第二状态估计值的差值作为微分误差信号，根据所述跟踪误差信号和所述微分误差信号计算获取pd控制量；以便根据所述pd控制量和所述总扰动估计值和所述补偿后的控制器增益计算获取所述总控制量，并输出至被控对象，以便对所述被控对象进行控制。
本申请还提供了一种自适应自抗扰控制设备，包括：
存储器：用于存储计算机程序；
处理器：用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种自适应自抗扰控制方法的步骤。
本申请所提供的自适应自抗扰控制方法包括：将控制系统的输入信号输入至跟踪微分器以计算获取所述输入信号的跟踪信号和微分信号；
将被控对象的参数改变量输入至控制器增益补偿器以计算获取控制器增益补偿量；并将所述控制系统的控制器增益初始值与所述控制器增益补偿量的和作为补偿后的控制器增益；将所述控制系统的输出信号和总控制量和所述补偿后的控制器增益输入至扩展状态观测器，以计算获取第一状态估计值和第二状态估计值和总扰动估计值；计算所述跟踪信号与所述第一状态估计值的差值作为跟踪误差信号；计算所述微分信号与所述第二状态估计值的差值作为微分误差信号；将所述跟踪误差信号和所述微分误差信号输入至pd控制器以计算获取pd控制量；根据所述pd控制量和所述总扰动估计值和所述补偿后的控制器增益计算所述总控制量；并将所述总控制量输出至被控对象，以便对所述被控对象进行控制。
可见，相比于现有技术，本申请所提供的自适应自抗扰控制方法中，针对于模型参数变化的被控对象，通过根据被控对象的参数改变量计算得到控制器增益补偿量而对控制器增益进行了补偿，并利用补偿后的控制器增益对被控对象进行自抗扰控制，因而有效改善了控制性能，提高了对时变被控对象的控制效果，扩展了自适应自抗扰控制方法的适用范围。本申请所提供的自适应自抗扰控制装置和设备可以实现上述自适应自抗扰控制方法，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请所提供的一种自适应自抗扰控制方法的流程图；
图2为本申请所提供的一种自适应自抗扰控制方法的控制原理图；
图3为本申请所提供的又一种自适应自抗扰控制装置的控制原理图；
图4为对第一时刻的被控对象采用图3所示自适应自抗扰控制方法所得到的单位阶跃响应曲线图；
图5为与图4对应的总控制量的曲线图；
图6为对第二时刻的被控对象采用图3所示自适应自抗扰控制方法所得到的单位阶跃响应曲线图；
图7为对第三时刻的被控对象采用图3所示自适应自抗扰控制方法所得到的单位阶跃响应曲线图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种自适应自抗扰控制方法、装置及设备，以便有效地改善对系统参数变化的时滞系统的控制效果。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图1和图2，图1为本申请所提供的一种自适应自抗扰控制方法的流程图，图2为本申请所提供的一种自适应自抗扰控制方法的控制原理图。
本申请所提供的一种自适应自抗扰控制方法主要包括以下步骤：
步骤1：将控制系统的输入信号v(t)输入至跟踪微分器以计算获取输入信号v(t)的跟踪信号v1(k)和微分信号v2(k)。
步骤2：将被控对象的参数改变量输入至控制器增益补偿器以计算获取控制器增益补偿量δb0；并将控制系统的控制器增益初始值b0与控制器增益补偿量δb0的和作为补偿后的控制器增益b′0。
步骤3：将控制系统的输出信号y(t)和总控制量u和补偿后的控制器增益b′0输入至扩展状态观测器，以计算获取第一状态估计值z1(k)和第二状态估计值z2(k)和总扰动估计值z3(k)。
步骤4：计算跟踪信号v1(k)与第一状态估计值z1(k)的差值作为跟踪误差信号e1(k)；计算微分信号v2(k)与第二状态估计值z2(k)的差值作为微分误差信号e2(k)；将跟踪误差信号e1(k)和微分误差信号e2(k)输入至pd控制器以计算获取pd控制量upd。
步骤5：根据pd控制量upd和总扰动估计值z3(k)和补偿后的控制器增益b′0计算总控制量u；并将总控制量u输出至被控对象，以便对被控对象进行控制。
具体地，本申请所提供的自抗扰控制方法中主要用到了以下四部分：跟踪微分器(trackingdifferentiator，td)，扩展状态观测器(extendedstateobserver，eso)，控制器增益补偿器(amplificationcompensate，ac)和pd控制器。
跟踪微分器的作用是通过安排过渡过程而获取系统输入信号的跟踪信号和微分信号，以便解决响应速度和超调之间的矛盾。扩展状态观测器设计有一个扩展的状态量来跟踪外部未知扰动(包括图2中的d1和d2)的影响，并给出控制量来补偿这些扰动，从而实现被控对象的反馈线性化。pd控制器用于给出被控对象的控制策略。
其中，控制器增益是自抗扰控制中的一个重要参数，它对整个控制系统的控制效果具有较大的影响。输入至被控对象的总控制量u就是根据控制器增益直接计算得到的，而总控制量u又会影响到扩展状态观测器的观测结果。但是，控制器增益的控制效果是针对于特定系统参数的被控对象而言的，当被控对象的系统参数发生变化后，同样的控制器增益所得到的控制效果就可能就出现下降，降低控制质量。
为解决上述问题，如图1和图2所示，本申请所提供的自适应自抗扰控制方法针对被控对象的参数不断变化的情况，根据被控对象的参数改变量计算出控制器增益补偿量δb0，从而为控制器增益这个参数进行了补偿，得到了能够随被控对象参数变化而自适应变化的补偿后的控制器增益b′0，进而利用补偿后的控制器增益b′0进行自抗扰控制，有效地提高了整体的控制效果。至于自抗扰控制中的其他具体内容，可参考现有技术，对此本申请并不进行限定。
在图2中，td为跟踪微分器，eso为扩展状态观测器，ac为控制器增益补偿器。其中，upd即为所说的pd控制量，u即为所说的总控制量，z3即为所说的总扰动估计值，b′0即为所说的补偿后的控制器增益b′0。图2给出了一种根据upd、z3、和b′0来计算u的具体方法，即：
u＝(upd-z3)/b′0；
除此之外，本领域技术人员还可以采用其他计算方法，本申请对此并不进行限定，例如可采用：
u＝upd/b′0-z3。
可见，本申请所提供的自适应自抗扰控制方法中，针对于模型参数变化的被控对象，通过根据被控对象的参数改变量计算得到控制器增益补偿量δb0而对控制器增益进行了补偿，并利用补偿后的控制器增益b′0对被控对象进行自抗扰控制，因而有效改善了控制性能，提高了对时变被控对象的控制效果，扩展了自适应自抗扰控制方法的适用范围。
本申请所提供的自适应自抗扰控制方法，在上述实施例的基础上：
作为一种优选实施例，跟踪微分器的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；v(t)为输入信号；v1(k)为v(t)的跟踪信号；v2(k)为v(t)的微分信号；t1为跟踪微分器的积分步长；r1为跟踪微分器的速度因子；h1为跟踪微分器的滤波因子。
具体地，利用自抗扰控制中的跟踪微分器可获取系统输入信号v(t)的跟踪信号v1(k)和微分信号v2(k)。其中，跟踪微分器中具体是采用了fhan函数即最速控制综合函数来实现过渡安排，可达到解决响应速度和超调之间的矛盾的效果，具有较为合理的过渡效果。其中，fhan函数的具体表达式为：
而至于跟踪微分器的其他的相关控制参数，例如积分步长t1、滤波因子h1、速度因子r1等，本领域技术人员可根据实际应用情况自行选择设置。
作为一种优选实施例，被控对象的参数改变量包括被控对象的增益改变量δk和时滞时间改变量δτ；控制器增益补偿器的表达式为：
δb0＝α(δk·τ+δτ·k+δk·δτ)；
其中，δb0为控制器增益补偿量；α为增益补偿系数；δk为被控对象增益改变量；k为被控对象增益初始值；δτ为时滞时间改变量；τ为时滞时间初始值。
具体地，针对于带有时滞环节、且时滞时间和增益不断变化的被控对象，特别是带有时滞环节的一阶惯性系统，具体可以根据被控对象增益改变量δk和时滞时间改变量δτ来计算获取控制器增益补偿量b0。其中，所说的被控对象增益改变量δk和时滞时间改变量δτ具体可以通过系统辨识等手段来识别得到。
在上述控制器增益补偿器的表达式中，增益补偿系数α是调节补偿效果的重要参数。进一步地，作为一种优选实施例，可将增益补偿系数设置为α＝60。
当然，本领域技术人员也可以不采用上述计算表达式而使用其他方式来计算控制器增益补偿量δb0，对此本申请并不进行限定。
作为一种优选实施例，扩展状态观测器的表达式为：
其中，y(k)为离散态的输出信号；u为总控制量；t2为扩展状态观测器的积分步长；z1(k)为第一状态估计值；z2(k)为第二状态估计值；z3(k)为总扰动估计值；β1、β2和β3均为状态观测系数；f为采样频率；b′0为补偿后的控制器增益，b′0＝b0+δb0，b0为控制器增益初始值，δb0为控制器增益补偿量。
具体地，扩展状态观测器利用fal函数进行了状态观测。其中，fal函数是一种幂次非线性函数，其具体表达式为：
如前所述，本申请是采用补偿后的控制器增益b′0来进行自抗扰控制的，所以在扩展状态观测器中参与计算的正是补偿后的控制器增益b′0，它具体是由控制器增益补偿器计算得到的控制器增益补偿量δb0加上控制器增益初始值b0而得到的。
此外，本领域技术人员也可以为扩展状态观测器设计并采用其他的计算方式，例如，可将输出信号y(t)的跟踪信号作为所说的第一状态估计值z1(k)，将输出信号y(t)的微分信号作为所说的第二状态估计值z2(k)，对此本申请并不进行限定。
作为一种优选实施例，将控制系统的输出信号y(t)和总控制量u和补偿后的控制器增益b′0输入至扩展状态观测器包括：
将输出信号y(t)输入至滤波器以获取滤波后的输出信号y1(t)；
将滤波后的输出信号y1(t)和总控制量u和补偿后的控制器增益b′0输入至扩展状态观测器。
具体地，为了降低测量噪声对控制系统的干扰，本申请还可以进一步对系统的输出信号y(t)进行滤波，以便利用滤波后的输出信号y1(t)而参与反馈控制。
作为一种优选实施例，滤波器(filter)的表达式为：
其中，fhan为最速控制综合函数；y(t)为时域中的输出信号；x1(k)为y(t)的跟踪信号；x2(k)为y(t)的微分信号；t3为滤波器的积分步长；r2为滤波器的速度因子；h2为滤波器的滤波因子；y1(k+1)为离散态的滤波后的输出信号。
具体地，所说的滤波器同样可通过安排过渡过程得到的跟踪信号和微分信号来计算获取。类似地，滤波器的其他相关控制参数，例如积分步长t3、滤波因子h2、速度因子r2等，本领域技术人员可根据实际应用情况自行选择设置，对此本申请并不进行限定。
作为一种优选实施例，将滤波后的输出信号y1(t)和总控制量u和补偿后的控制器增益b′0输入至扩展状态观测器包括：
将滤波后的输出信号y1(t)输入至时滞补偿器(time-delaycompensator)以计算获取时滞补偿后的输出信号y2(t)；
将时滞补偿后的输出信号y2(t)和总控制量u和补偿后的控制器增益b′0输入至扩展状态观测器。
具体地，由于被控对象的时滞特性，其输出信号y(t)与输入信号v(t)和总控制量u信号相比是存在一定时间差的，即被控对象的响应有一定的滞后性，而这将影响到对总控制量u进行调整的及时性，会降低对系统的控制质量。为了令输入至扩展状态观测器中的输出信号y(t)与总控制量u保持时间上的同步，本申请所提供的自适应自抗扰控制方法还可以进一步对输出信号y(t)进行时滞补偿，将时滞补偿后的输出信号y2(t)输入至扩展状态观测器进行观测，以便有效减弱被控对象时滞环节对控制效果的不良影响。
作为一种优选实施例，时滞补偿器的表达式为：
y2(t)＝eτ′y1(t)；
其中，y1(t)为时域中的滤波后的输出信号；y2(t)为时域中的时滞补偿后的输出信号；τ′为变化后的时滞时间，τ′＝τ+δτ，τ为时滞时间初始值，δτ为时滞时间改变量。
具体地，τ为被控对象的时滞时间初始值，δτ为被控对象的时滞时间改变量，本领域技术人员可以通过系统辨识等方法来辨识获取，进而可得到变化后的时滞时间τ′。由于被控对象的输出信号y(t)具有时滞性，因此，在得到滤波后的输出信号y1(t)之后，可根据变化后的时滞时间τ′，将其在时域上超前调整τ′时长，以便与总控制量u保持同步。具体控制过程请参考图3，图3为本申请所提供的又一种自适应自抗扰控制方法的控制原理图。其中，ft为滤波器，tdc为时滞补偿器。当然，本领域技术人员也可以不对输出信号y(t)进行滤波而直接进行时滞补偿，本申请对此并不进行限定。
请参考图4和图5，图4为对第一时刻的被控对象采用图3所示自适应自抗扰控制方法所得到的单位阶跃响应曲线图，图5为与图4对应的总控制量u的曲线图。所说的被控对象为带有时滞环节的一阶惯性系统，其在第一时刻即初始时刻的传递函数为：
此时，被控对象增益改变量δk和时滞时间改变量δτ均为0：δτ＝0；δk＝0。从图4中可以看出，本申请相比于传统的自抗扰控制算法，调节速度较快，动态性能较好，对干扰的抑制能力较强。而根据图5可知，本申请所提供的自适应自抗扰控制方法的总控制量u的曲线较为光滑，并且在扰动加入时不能存在突变，极大地保障了实际工程应用中执行机构的平稳运行。
请参考图6和图7，图6为对第二时刻的被控对象采用图3所示自适应自抗扰控制方法所得到的单位阶跃响应曲线图。在第二时刻，被控对象的模型参数已经发生了变化，此时，被控对象增益改变量δk和时滞时间改变量δτ分别为：δτ＝2s；δk＝0.5。
图7为对第三时刻的被控对象采用图3所示自适应自抗扰控制方法所得到的单位阶跃响应曲线图。在第三时刻，被控对象增益改变量δk和时滞时间改变量δτ分别为：δτ＝-2s；δk＝-0.5。
从图6和图7中可以看出，本申请所提供的自适应自抗扰控制方法能够随着被控对象模型参数的变化而自适应调整控制器增益，从而维持对被控对象的良好控制效果，实现快速的无超调控制，有效改善时滞环节对控制系统的不良影响。
下面对本申请所提供的自适应自抗扰控制装置进行介绍。
本申请所提供的一种自适应自抗扰控制装置；包括跟踪微分器、控制器增益补偿器、扩展状态观测器和pd控制器；
跟踪微分器用于根据控制系统的输入信号v(t)计算获取输入信号v(t)的跟踪信号v1(k)和微分信号v2(k)；
控制器增益补偿器用于根据被控对象增益改变量δk和时滞时间改变量δτ计算获取控制器增益补偿量δb0；以便将控制系统的控制器增益初始值b0与控制器增益补偿量δb0的和作为补偿后的控制器增益b′0；
扩展状态观测器用于根据控制系统的输出信号y(t)和总控制量u和补偿后的控制器增益b′0，计算获取第一状态估计值z1(k)和第二状态估计值z2(k)和总扰动估计值z3(k)；
pd控制器用于将跟踪信号v1(k)与第一状态估计值z1(k)的差值作为跟踪误差信号e1(k)，将微分信号v2(k)与第二状态估计值z2(k)的差值作为微分误差信号e2(k)，根据跟踪误差信号e1(k)和微分误差信号e2(k)计算获取pd控制量upd；以便根据pd控制量upd和总扰动估计值z3(k)和补偿后的控制器增益b′0计算获取总控制量u，并输出至被控对象，以便对被控对象进行控制。
在上述实施例的基础上，作为一种优选实施例，本申请所提供的自适应自抗扰控制装置还包括滤波器和时滞补偿器；
滤波器用于对输出信号y(t)进行滤波以获取滤波后的输出信号y1(t)；
时滞补偿器用于对滤波后的输出信号y1(t)进行时滞补偿以获取时滞补偿后的输出信号y2(t)；并将时滞补偿后的输出信号y2(t)输入至扩展状态观测器3。
本申请还提供了一种自适应自抗扰控制设备，包括：
存储器：用于存储计算机程序；
处理器：用于执行计算机程序以实现如上所述的任一种自适应自抗扰控制方法的步骤。
可见，本申请所提供的自适应自抗扰控制装置与设备，针对于模型参数变化的被控对象，通过根据被控对象的参数改变量计算得到控制器增益补偿量δb0而对控制器增益进行了补偿，并利用补偿后的控制器增益b′0对被控对象进行自抗扰控制，因而有效改善了控制性能，提高了对时变被控对象的控制效果，扩展了自适应自抗扰控制方法的适用范围。
本申请所提供的自适应自抗扰控制装置与设备的具体实施方式与上文所描述的自适应自抗扰控制方法可相互对应参照，这里就不再赘述。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。