基于觀測器的抗干擾控制策略研究及性能評估.pdf

1、在實際控制系統(tǒng)設計問題中，不可避免地會受到模型參數(shù)攝動、未建模動態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)間耦合、未知外界擾動等因素的影響，這些因素會使系統(tǒng)的控制精度下降、魯棒性變差甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，給控制系統(tǒng)的設計及應用帶來了很大挑戰(zhàn)。因此，高性能的魯棒抗干擾控制策略是控制領域永恒的研究課題?；谟^測器的控制是一種有效的抗干擾控制理論框架，該方法以觀測器作為控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，利用被控對象的輸入、輸出信息對系統(tǒng)模型不確定性進行估計，并在外環(huán)控制器中進行補償，從而保證閉

2、環(huán)系統(tǒng)的控制品質。
　　在現(xiàn)有的多種觀測器中，干擾觀測器(Disturbance Observer,DOB)和擴張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer,ESO)得到了系統(tǒng)、全面的研究和應用。上述兩種觀測器設計方法都能夠有效解決抗干擾控制問題，但二者分別基于不同的理論體系進行分析和設計，對于二者之間的聯(lián)系、區(qū)別和性能差異進行分析是十分重要的。因此，本文首先針對DOB和ESO在三類系統(tǒng)中的分析和設計進行研究，在上

3、述工作基礎上，對二者的抗擾結構和性能差異進行對比研究，從而對如何面向不同類型被控對象和控制任務進行觀測器選擇給出指導意見。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點包括：
　　(1)針對同時包含時滯和右半復平面零點的非最小相位系統(tǒng)，提出一種系統(tǒng)性的魯棒DOB設計與參數(shù)優(yōu)化方法?？紤]閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性、擾動抑制性能、相對階次、混合靈敏度性能等設計指標，建立基于H∞范數(shù)的Q濾波器優(yōu)化方程。通過回路變換，將Q濾波器優(yōu)化問題轉化為H∞控制器求解問題，并

4、在虛擬被控對象中引入包含標稱模型右半復平面零點的全通傳遞函數(shù)，使得優(yōu)化得到的Q濾波器滿足內(nèi)部穩(wěn)定性的約束條件。
　　(2)針對狀態(tài)可測的非線性系統(tǒng)，提出一種基于魯棒DOB的干擾抑制控制方法，并研究相應的參數(shù)優(yōu)化策略。設計包含部分反饋線性化補償器和低通濾波器的DOB，并在此基礎上設計外環(huán)反步控制器。分析了外環(huán)控制器結構、參數(shù)對內(nèi)環(huán)觀測器參數(shù)優(yōu)化的影響，給出保證系統(tǒng)魯棒性的約束條件，進而基于H∞理論對DOB的參數(shù)進行優(yōu)化。以飛行器姿態(tài)

5、跟蹤控制問題為例，對提出控制方法的有效性進行實驗驗證。
　　(3)針對狀態(tài)不可測的非線性系統(tǒng)，提出一種廣義ESO設計方法。對傳統(tǒng)ESO的干擾抑制性能進行分析，揭示系統(tǒng)重構策略的本質。在對系統(tǒng)等效擾動模態(tài)進行分析的基礎上對系統(tǒng)進行重構，最大限度地利用等效擾動的先驗信息，降低系統(tǒng)模型的不確定性。基于重構系統(tǒng)設計的廣義ESO能夠對等效擾動中已知模態(tài)的分量實現(xiàn)完全地估計和補償。最后，基于Lyapunov理論分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。