一种无模型抗干扰控制器结构

1.本发明涉及非线性系统抗干扰控制领域，特别是一种无模型抗干扰控制器结构。


背景技术：

2.传统的基于模型的控制系统主要由三个部分组成：控制器、过程和模型。这里模型是指可以描述过程输出和输入关系的数学表达式，通常基于模型机理或辨识实验等方法获得。基于模型的控制方法需要建立控制对象的数学模型，对系统模型的依赖带来了鲁棒性较差，控制器设计困难等问题，并且如果模型不精确可能对于控制效果会适得其反，针对以上问题，自抗扰控制、数据驱动控制等控制理论和方法被广泛应用。
3.自抗扰控制将模型自身产生的未知不确定性作为内扰，和非线性系统的外部扰动一起看作总扰动，通过建立扩张状态观测器对系统的状态和不确定性进行估计，并在闭环反馈中消除该扰动对闭环系统动态特性的影响，具有理想的控制效果。扩张状态观测器作为自抗扰控制的核心单元，不仅能获得对象模型的内扰与外扰的总扰动，还能获得不确定对象的状态，但是扩张状态观测器的建立依赖于系统控制输入增益，无法完全摆脱对模型参数的依赖。
4.数据驱动的控制理论及方法是指控制器设计不显含受控过程的数学模型信息，仅利用被控系统的在线/离线输入输出数据及经过处理得到的知识来设计控制器并在一定假设下有收敛性、稳定性和鲁棒性分析保障的控制理论与方法，在设计过程中仅需要建立一个粗糙的模型，之后用大量的数据来细化，使得模型不断的契合于数据，不需要繁杂的机理/辨识建模过程。但是现有的控制方法依然存在如下问题：
5.第一，在现有基于模型的控制中，控制性能依赖于模型的准确性，对于复杂系统无法做到精确描述，建模复杂。实际应用中，微小的未建模动态和外部干扰等因素就会导致控制性能降低，甚至系统失稳。
6.第二，在当前的自抗扰控制方法中，虽然可以有效估计系统的复杂不确定和扰动信号，但扩张状态观测器的建立依赖系统控制输入增益，不能完全摆脱对模型参数的依赖。
7.第三，在如今的数据驱动控制方法中，需要依靠大量代表性的数据，并且需要用到堆栈对历史数据进行保存和使用，增加了控制系统的复杂程度导致系统的反应时间增多，使用效率降低。


技术实现要素：

8.为解决现有技术存在的上述问题，本发明一种无模型的抗干扰控制器结构包括：无模型控制器、
9.将被控系统的总扰动定义为一个新的扩张状态，基于反馈机制建立扩张状态观测器，所述扩张状态观测器对新的扩张状态进行估计；
10.记录上一次采样周期所述无模型控制器的输出信号和上一次所述被控系统的系统状态的时间导数的数据记录模块，所述数据记录模块分别将输出信号前一次值和当前值
作差及将时间导数上一次和当前值进行作差运算，得到输出信号的变化值和时间导数的变化值；
11.接收所述数据记录模块传送的输出信号u的变化值和时间导数的变化值，得到被控系统的控制输入增益的估计值的自适应增益估计器；
12.所述无模型控制器接收输入的状态跟踪误差信号、所述扩张状态观测器对的新的扩张状态的估计和所述自适应增益估计器输出的被控系统的控制输入增益的估计值，所述无模型控制器将输出控制信号传送给被控系统，实现系统状态对参考信号的跟踪。
13.进一步地，所述被控系统的模型表达式如下：
[0014][0015]
式中：表示被控系统中系统状态x对时间的导数，u表示被控系统的控制输入，b0是该被控系统的未知控制输入增益，ω表示被控系统的外部扰动，f(x)是系统的不确定可以看作该被控系统的内部扰动，s＝f(x)+ω，表示被控系统的总扰动。
[0016]
进一步地，所述无模型控制器的输出信号为：
[0017][0018]
式中：ωc为无模型控制器的一个标量增益参数，是该被控系统总扰动的估计值，是该被控系统未知控制输入增益b0的估计值。
[0019]
进一步地，所述扩张状态观测器表述为：
[0020][0021]
式中是该被控系统的状态估计值，k1，k2为调节被扩展状态误差所引入的标量增益参数，是该被控系统的状态的估计值对时间的导数，是该被控系统总扰动估计值对时间的导数。
[0022]
进一步地，所述数据记录模块表述为：
[0023][0024]
式中：t表示为当前的时间，ts表示为数据的采样间隔，是当前周期的时间导数，是相邻两次所述被控系统状态x对时间的一阶导数的变化值，u(t)是当前周期输出的信号，δu是相邻两次所述无模型控制器的输出信号u的变化值。
[0025]
进一步地，所述被控系统的控制输入增益的估计值的估计公式如下：
[0026][0027]
式中：是未知控制输入增益的估计值对时间的一阶导数，proj(
·
)为投影算子，γ是用于调节收敛速度的标量增益参数，μ是控制输入增益变化率的一个可调参数。
[0028]
本发明在自抗扰控制理论体系中引入自适应控制技术，提出了一种响应快、效益高、环境适应性强的无模型抗干扰控制结构设计。不仅实现了系统状态对给定参考信号的准确跟踪，而且能够对模型总扰动和未知输入增益的同时估计，适用于受外部扰动的复杂不确定系统。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0029]
第一，与现有的基于模型的控制结构相比，本发明不需要复杂的建模过程，针对外部扰动ω变化时引入一个状态跟踪误差信号，对于总扰动的变化可以实时准确的输出给控制器进行反馈消除。
[0030]
第二，与现有的自抗扰控制结构相比，本发明针对控制输入增益b0未知的被控系统，利用被控系统当前和历史的输入/输出数据，实现同时对控制输入增益b0和系统总扰动s的在线估计，克服了对模型参数的依赖。
[0031]
第三，与现有的数据驱动控制结构相比，本发明去除了堆栈，仅需要记录上一次的模型系统状态x对时间的一阶导数和输入控制器的输出信号u，进行简单的运算出相邻的变化值和δu即可估计出控制输入增益参数b0。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1是一种无模型抗干扰控制器结构示意图。
[0034]
图2是被控系统输出状态x的跟踪效果图。
[0035]
图3是无模型控制器的输出信号u观测效果图。
[0036]
图4是被控系统的总扰动s的观测效果图。
[0037]
图5是被控系统的控制输入增益b0观测效果图。
具体实施方式
[0038]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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
于本发明保护的范围。
[0040]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0041]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0043]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。
[0044]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0045]
本发明涉及的一种无模型抗干扰控制器结构，如图1所示，一种无模型的抗干扰控制器结构，包括：无模型控制器、扩张状态观测器、数据记录模块、自适应增益估计器；
[0046]
将被控系统的总扰动定义为一个新的扩张状态，基于反馈机制建立所述扩张状态观测器，所述扩张状态观测器对新的扩张状态进行估计；
[0047]
记录上一次采样周期所述无模型控制器的输出信号u和上一次所述被控系统的系统状态的时间导数的数据记录模块，所述数据记录模块分别将输出信号u前一次值和当前值作差及将时间导数上一次和当前值进行作差运算，得到输出信号u的变化值和时间导数的变化值；
[0048]
所述自适应增益估计器接收所述数据记录模块传送的输出信号u的变化值和时间导数的变化值，对被控系统的控制输入增益进行估计，得到的估计值；
[0049]
所述无模型控制器接收输入的状态跟踪误差信号、所述扩张状态观测器对的新的扩张状态的估计和所述自适应增益估计器模块输出的被控系统的控制输入增益的估计值，所述无模型控制器将输出控制信号传送给被控系统，
[0050]
被控系统输出系统状态x，基于系统状态x建立扩张状态观测器对被控系统的总扰动进行估计，获得其估计值并输入无模型控制器中进行补偿，建立数据记录模块存储上一周期无模型控制器输出的控制信号u(t-ts)和被控系统输出的系统状态的时间导数通过与当前数据作差获得δu，并将其输入到自适应增益估计器中，获得未知控制输入增益的估计值利用系统状态跟踪误差xe以及获得的估计值以及获得的估计值建立无模型控制器控制被控系统，实现系统状态对参考信号的跟踪。
[0051]
进一步地，所述被控系统的模型表达式如下：
[0052][0053]
式中：表示被控系统中系统状态x对时间的导数，u表示被控系统的控制输入，b0是该被控系统的未知控制输入增益，ω表示被控系统的外部扰动，f(x)是系统的不确定可以看作该被控系统的内部扰动，s＝f(x)+ω，表示被控系统的总扰动。
[0054]
进一步地，引入一个状态跟踪误差信号的表达式如下：
[0055]
xe＝x-xrꢀꢀ
(2)
[0056]
式中：xr表示该被控系统的系统状态x的参考值，xe表示状态跟踪误差；
[0057]
进一步地，所述无模型控制器的输出信号为：
[0058][0059]
式中：ωc为无模型控制器的一个标量增益参数，是该被控系统总扰动的估计值，是该被控系统未知控制输入增益b0的估计值。
[0060]
进一步地，所述扩张状态观测器表述为：
[0061][0062]
式中：是该被控系统的状态估计值，k1，k2为调节被扩展状态误差所引入的标量增益参数，是该被控系统的状态的估计值对时间的导数，是该被控系统总扰动估计值对时间的导数。
[0063]
进一步地，所述数据记录模块表述为：
[0064][0065]
式中：t表示为当前的时间，ts表示为数据的采样间隔，是当前周期的时间导
数，是相邻两次所述被控系统状态x对时间的一阶导数的变化值，u(t)是当前周期输出的信号，δu是相邻两次所述无模型控制器的输出信号u的变化值。
[0066]
进一步地，所述被控系统的控制输入增益的估计值的估计公式如下：
[0067][0068]
式中：是未知控制输入增益的估计值，对时间的一阶导数，proj(
·
)为投影算子，γ是用于调节收敛速度的标量增益参数，μ是控制输入增益变化率的一个可调参数。
[0069]
其中对于式(2)—(6)引入参数：ωc＝10，k1＝20，k2＝100，γ＝100，μ＝1。
[0070]
本发明的设计目标在于使被控系统的系统在满足式(2)—(6)的情况下不需要知道模型的参数即可对于未知的扰动s和控制输入增益b0能够快速地估计，使系统状态x能够收敛到预期状态xr；
[0071]
图2是被控系统输出状态x的跟踪效果图，图中x表示所设计的被控系统输出的系统状态，xr是模型的参考值，可以看出参考信号xr可以被有效跟踪；
[0072]
图3是无模型控制器的输出信号u观测效果图，可以看出无模型控制器控制信号u有界；
[0073]
图4是被控系统的总扰动s的观测效果图，图中s表示系统的未知总扰动，表示系统扩张状态后对于未知扰动的估计，可以看出被控系统总扰动s可以被有效估计；
[0074]
图5为复杂不确定系统的控制输入增益b0的观测效果图，图中b0表示控制输入增益，表示控制输入增益的估计，可以看出控制增益b0在前50秒的时候被有效估计；
[0075]
通过以上仿真结果图可以看出本发明提出的一种无模型抗干扰控制器结构能够保证系统的状态能够准确快速的跟踪上预期状态，能够实现对于被控系统的未知扰动的估计值和控制输入增益估计值在有限时间内快速收敛到实际值，满足设计目标。
[0076]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。