一种基于干扰观测器的伺服系统设计_张绍德

一种基于干扰观测器的伺服系统设计_张绍德
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干扰观测器

6 干扰观测器的设计原理 干扰观测器的基本思想是,将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端,即观测出等效干扰。在控制中引入等效的补偿,实现对干扰完全抑制。基本结构如图(6.1)所示: 图6.1干扰观测器的基本结构 图中的()P G s 为对象的传递函数,d 为等效干扰,d ∧ 为观测的干扰,u 为控制输入。 由此图可求出等效干扰的估计值d ∧ 为: 1 ()()()P P d e d G s G s e d ∧ -=+??-= (6.1) 对实际物理系统,其实现存在如下问题: (1) 在通常情况下,()P G s 的相对阶不为零,其逆在物理上不可实现; (2) 对象()P G s 的精确数学模型无法得到; (3) 考虑到测量噪声的影响,该方法的控制性能将下降。 解决上述问题的唯一方法是在d ∧ 的后面串入低通滤波器()Q s ,并用名义模型() n G s 的逆1 ()n G s -来代替()P G s ,从而得到图(6.2)所示的干扰观测器原理 框图,其中虚线部分干扰观测器。 图6.2干扰观测器原理框图

图中 为控制器输出,d 为系统的外部干扰,n 为传感器的等效测量误差,f d 为预测 到的系统干扰,()P G s 为被控对象的传递函数,()n G s 为其参考模型,()Q s 为干扰观测器的低通滤波器。 控制器的输出为: f u c d d =-+ (6.2) 式中, 为PID 控制器的输出,f d 为干扰d 的估计值。 由图(2)可得: 111 1111 ()() ()()()(()()) P n CY n P n G z G z G z G z Q z G z G z -------=+- (6.3) 1111 1111 ()()(1()) ()()()(()()) P n DY n P n G z G z Q z G z G z Q z G z G z ---------=+- (6.4) 111 1111()() ()()()(()()) P NY n P n G z Q z G z G z Q z G z G z -------=+- (6.5) 设低通滤波器()Q s 的频带为 q f 。通过分析式(6.3),式(6.4)可知: (1) 当q f f ≤时,1,(),0,1CY n DY NY Q G G s G G =≈≈≈。 (2) 当q f f ≥时,0,(),()(),()0CY P DY P NY Q G G s G s G s G s =≈=≈。 通过低通滤波器()Q s 的设计可较好地抵抗外加干扰。 由上面分析可见,()Q s 的设计是干扰观测器中的一个重要环节 。()Q s 的性能决定整个干扰观测器的动态性能。从理论上分析,()Q s 的宽带越宽,阶数越高,干扰观测器的响应速度就越快,干扰的抑制效果就越好,则系统对干扰的灵敏度越低,但随着阶数的升高,大的相位滞后会使系统产生欠阻尼现象,甚至使系统变得不稳定。以上分析可知,如何使 干扰观测器获得好的动态性能和高的稳定性是()Q s 设计的关键。因此首先,为使1 ()()n Q s G s -正则,()Q s 的相对阶应不小于()n G s 的相对阶;其次,()Q s 带宽的设计应是在干扰观测器的鲁棒稳定性和干扰爱抑制能力之间的折中。 设()P G s 的名义模型为()n G s ,则不确定对象的集合可以用乘积摄动来描述,即: ()()(1())P n G s G s s =+? (6.6) 式中,()s ?为可变的传递函数。 图(6.3)示出转台伺服系统某框的实测频率特性()P G s 与名义模型()n G s 频率特性,由图可见,当频率增加时,对象的不确定性增大,()jw ?表现为频率ω的增函数。

基于干扰观测器的PID控制

《PID控制器设计》课程论文 题目:基于干扰观测器的PID控制 目录 内容摘要------------------------------------------------------------3 关键字--------------------------------------------------------------3 1 绪论--------------------------------------------------------------4 2 干扰观测器的设计--------------------------------------------------4 2.1 干扰观测器的基本原理--------------------------------------------4 2.2干扰观测器的性能分析--------------------------------------------5 2.3干扰观测器的稳定特性--------------------------------------------6 2.4干扰观测器的设计------------------------------------------------7 2.5干扰观测器的仿真结果及MATLAB程序-------------------------------8 2.5.1连续系统的控制仿真--------------------------------------------8 2.5.2离散系统的控制仿真 ------------------------------------------ 11 3结论-------------------------------------------------------------17 参考文献-----------------------------------------------------------18 Abstract-----------------------------------------------------------18 KEY WORDS----------------------------------------------------------18

快速滑模干扰观测器在稳定平台中的应用

2018年8月控制工程 Aug. 2018 第25卷第8期Control Engineering of China V ol.25, No.8 文章编号:1671-7848(2018)08-1573-05 DOI: 10.14107/https://www.360docs.net/doc/4211507404.html,ki.kzgc.160581 快速滑模干扰观测器在稳定平台中的应用 任彦1,张晓飞1,2,刘慧1,刘涛3 (1.内蒙古科技大学信息工程学院,包头 014010;2. 北京理工大学自动化学院,北京 100081; 3. 中核包头核燃料元件股份有限公司,包头 014010) 摘要:为了提高光电平台的稳定精度,系统设计分为两部分完成。在实际的内回路中采 用干扰观测器对干扰进行估计与补偿。基于非线性控制系统有限时间稳定性理论,提出一 种新型快速滑模干扰观测器(Novel Fast Sliding Mode Disturbance Observer, NFSDOB)的设 计方法,并证明了其在有限时间内实现快速估计干扰的特性。针对系统的动态部分设计了 滑模控制器,在保证了系统稳定精度的同时,进一步补偿了干扰估计的不足,增强了控制 系统的鲁棒性。仿真结果证明了该方法的有效性。 关键词:新型快速滑模干扰观测器;稳定平台;有限时间收敛;滑模控制 中图分类号:TP27 文献标识码:A Application of a Fast Sliding Mode Disturbance Observer in a Stable Platform REN Yan1, ZHANG Xiao-fei1, LIU Hui1, LIU Tao2 (1.School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2.The China Baotou Nuclear Fuel Component CO., Baotou 014010, China) Abstract: In order to improve the stability of the photoelectric platform, the system design is divided into two parts to accomplish. In the actual inner system circuit, the disturbance observer is used to estimate and compensate the disturbance. The design method of a novel fast sliding mode disturbance observer based on the finite time stability theory of nonlinear control systems is proposed and its rapid estimation characters areproved in finite time. A sliding mode controller is employed aims at the dynamic part of the system, which ensures the accuracy of the system, compensates the underestimation of the disturbance further and improves the robustness of the control system. Simulation results show the effectiveness of the proposed method. Key words: Novel fast sliding mode disturbance observer; stabilized platform; convergence in finite time; sliding mode control 1 引言 光电稳定平台是一种高精度的视轴稳定伺服控制系统,可以实现对地、对空目标全景式大范围探测和跟踪[1]。高精度光电稳定平台其作用主要是隔离载体对光电稳定平台的扰动。为了保证光学遥感载荷能够清晰成像以及稳定跟踪目标,就要求稳定平台具有一定的视轴稳定精度[1,2]。然而,摩擦力矩,风扰力矩,角位移传感器等都会影响视轴的稳定。对这些不确定性的干扰进行有效的抑制是提高系统性能的关键。 在处理外部干扰和参数变化的问题上,干扰观测器作为一个简单有效的方法,在伺服系统上获得了很多的应用[1,3]。然而由于需要利用名义模型的逆模型,其性能容易受到模型参数变化的影响。滑模变结构控制对系统参数摄动、外部干扰等干扰信号具有较强的鲁棒性,滑模干扰观测器(Sliding mode Control Disturbance Observer, SDOB)是将滑模控制的思想引入到干扰观测器的设计中,SDOB可以实现对干扰的有效估计[1,6]。系统有限时间收敛是指受控系统状态在有限时间内到达系统的平衡点,实现系统有限时间稳定。目前,对非线性控制系统的有 万方数据

干扰观测器设计开题报告

干扰观测器与PID复合控制系统设计 一、选题背景及依据(简述题目的技术背景和设计依据,说明选题目的、意义,列出主要参考文献) PID 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID 控制技术最为方便。至今仍在控制系统的设计中充当着主要角色。然而随着工业生产规模的增大以及自动化程度的提高,控制系统变得大规模、复杂化,人们对控制系统的要求也不断提高。实际控制系统由于系统本身参数的时变性、外部干扰等不确定性因素的存在,使得传统PID控制很难达到人们期望的性能。 干扰观测器的基本思想是将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型的差异等效到控制输入端即观测出等效干扰在控制中引入等效的补偿实现对干扰的完全抑制对外部干扰进行实时估计,并在PID控制器的输入端引入等效补偿,以抑制未知扰动和系统不确定性对系统性能产生的影响。它能够有效提高闭环系统的跟踪精度、及时抑制干扰且结构简单、易于实现,受到业界的广泛关注。 本次设计一种干扰观测器与PID复合控制的系统,实现对外部干扰的实时估计和实时补偿,提高水箱液位的控制精度及鲁棒性。 主要参考文献和技术资料 1 蔺辉,田新锋.基于干扰观测器PID的直流电机速度控制[J].微电机,2011,44(9):29-30,65. 2 黄国勇.基于神经网络干扰观测器的Terminal滑模控制[J].吉林大学学报(工学版),2011,41(6):1726-1730. 3 张伟伟,余岳峰,罗永浩.基于阶跃响应曲线拟合的链条锅炉快速建模方法[J].工业锅炉,2007,2:1-4. 4 薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社,2005.6. 5 陈夕松,汪木兰.过程控制系统[M] .北京:科学出版社,2011.1. 6 李利娜;窦丽华;蔡涛;潘峰;基于干扰观测器的滑模变结构控制器设计[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年 7 尹正男;具有鲁棒性的最优干扰观测器的系统性设计及其应用[D];上海交通大学;2012年

基于干扰观测器的PID控制

《PID控制器设计》课程论文题目:基于干扰观测器的PID控制 学院:电子工程学院 专业: 2009级应用电子 学号:200912701149 姓名:黄婧宇

目录 内容摘要------------------------------------------------------------3 关键字--------------------------------------------------------------3 1 绪论--------------------------------------------------------------4 2 干扰观测器的设计--------------------------------------------------4 2.1 干扰观测器的基本原理--------------------------------------------4 2.2干扰观测器的性能分析--------------------------------------------5 2.3干扰观测器的稳定特性--------------------------------------------6 2.4干扰观测器的设计------------------------------------------------7 2.5干扰观测器的仿真结果及MATLAB程序-------------------------------8 2.5.1连续系统的控制仿真--------------------------------------------8 2.5.2离散系统的控制仿真 ------------------------------------------ 11 3结论-------------------------------------------------------------17 参考文献-----------------------------------------------------------18 Abstract-----------------------------------------------------------18 KEY WORDS----------------------------------------------------------18

第五章-伺服控制系统Word版

第五章伺服控制系统 第一节概述 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程,它是以空中的目标为输入指令要求,雷达天线要一直跟踪目标,为地面炮台提供目标方位;加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程,位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机,通过与加工位置目标比较,计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能,机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。 一、伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。如图5-1给出了系统组成原理框图。 1、比较环节是将输入的指令信号与系 统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间 的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算 机来实现。 2、控制器通常是计算机或PID控制电图5-1伺服系统组成原理框图 路,主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。 3、执行元件作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。 4、被控对象是指被控制的机构或装置,是直接完成系统目的的主体。一般包括传动系统、执行装置和负载。 5、检测环节是指能够对输出进行测量,并转换成比较环节所需要的量纲的装置。一般包括传感器和转换电路。 在实际的伺服控制系统中,上述的每个环节在硬件特征上并不独立,可能几个环节在一个硬件中,如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。 二、伺服系统的分类 伺服系统的分类方法很多,常见的分类方法有: 1、按被控量参数特性分类按被控量不同,机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统 2、按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。 3、按控制原理分类按自动控制原理,伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。 开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护,但由于没有检测环节,系统精度低、抗干扰能力差。闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测,并根据输出与输入的偏差,实时调整执行过程,因此系统精度高,但成本也大幅提高。半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机

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