自抗擾控制器優(yōu)化設(shè)計及其應(yīng)用
孫亮，吳根忠
（浙江工業(yè)大學信息工程學院，浙江杭州310032）
摘要：自抗擾控制器( adrc)是針對非線性不確定系統(tǒng)提出的一種新型非線性控制器。在深入研究自抗擾控制技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，通過非線性系統(tǒng)的線性化和參數(shù)整合等方法設(shè)計出了優(yōu)化adrc，并給出了新的參數(shù)整定方法。matlab仿真表明，優(yōu)化后的adrc需調(diào)整的參數(shù)大大減少，調(diào)節(jié)過程也得到簡化，但性能并未受到影響，對被控系統(tǒng)的不確定性和外擾有很強的適應(yīng)性和魯棒性。
關(guān)鍵詞：自抗擾控制器；優(yōu)化算法；交流伺服系統(tǒng)
中圖分類號：tm571 文獻標識碼：a文章編號：1673-6540(2010)03-0026-05
0 引 言
自抗擾控制器…( adrc)是中國科學院韓京清研究員提出的一種新型的非線性魯棒控制器。adrc不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，具有魯棒性強、系統(tǒng)響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點，有效地解決了系統(tǒng)快速性和超調(diào)之間的矛盾。近年來控制器已經(jīng)在風力發(fā)電系統(tǒng)、混沌控制、電機拖動、飛行器姿態(tài)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其控制器本身也得到了進一步的完善和發(fā)展，出現(xiàn)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的adrc，變結(jié)構(gòu)adrc等各種改進型控制器。
adrc的三個組成部分均采用非線性函數(shù)，參數(shù)較多，調(diào)節(jié)繁雜，在還沒有成熟的參數(shù)整定理論條件下，參數(shù)整定過程和效果在很大程度上依賴于人們的經(jīng)驗。因此，控制器優(yōu)化和參數(shù)整定問題成為制約adrc發(fā)展的瓶頸。通過優(yōu)化算法，可以在保證控制效果的前提下極大地簡化adrc參數(shù)的調(diào)節(jié)過程，從而使得控制器更適合實際工業(yè)控制的要求，擴展了控制器的應(yīng)用范圍。
交流伺服系統(tǒng)有較高的性能指標要求，特別在永磁同步電機( pmsm)位置伺服系統(tǒng)中，pmsm作為一個多變量、非線性和強耦合的被控對象．具有非線性和不確定性，以及混沌運動特性，實現(xiàn)高性能的伺服系統(tǒng)控制，必須依靠高性能的控制器，尤其在快速性、準確性等要求較高的場合，先進的控制策略就更為重要了。將優(yōu)化的adrc用于pmsm伺服系統(tǒng)中，不僅算法簡單，參數(shù)容易調(diào)節(jié)，而且對系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾具有很強的魯棒性，提高了伺服系統(tǒng)的控制精度。
1adrc典型結(jié)構(gòu)
adrc是在反饋線性化基礎(chǔ)上設(shè)計的新型控制器，其實質(zhì)是利用“觀測+補償”的方法來處理系統(tǒng)中非線性和不確定性，同時配合非線性的反饋方式，提高控制器的動態(tài)性能。控制器由跟蹤微分器(td)、擴張狀態(tài)觀測器(eso)和非線性反饋控制律( nlsef)三部分組成，圖l為典型ad-rc結(jié)構(gòu)圖。
設(shè)含不確定擾動的非線性被控對象：
其中f為未知的非線性時變函數(shù)，w(t)為外部擾動，u(t)為控制輸入，b為模型參數(shù)，根據(jù)自抗擾理論可以設(shè)計的adrc算法結(jié)構(gòu)如下。
由式(2)~(6)可知，adrc的調(diào)節(jié)參數(shù)主要包括td的{r0，δ0}，eso部分中的{β01，β02，β03，αl，α2，α3，δ1，b0}，nlsef中的{β1，β2，α4，α5，δ2}。這些參數(shù)的確定是一項繁雜的過程，而且目前參數(shù)調(diào)整主要還靠經(jīng)驗，因此在實際使用時調(diào)節(jié)復(fù)雜，不利于廣泛應(yīng)用。
2 adrc的優(yōu)化算法
典型的adrc模型采用誤差的非線性比例、微分調(diào)節(jié)，理論上可以實現(xiàn)較好的控制性能，但實際由于整定參數(shù)個數(shù)多，算法實現(xiàn)需要較大計算量，導致控制周期變長，影響了控制器的性能。
2.1優(yōu)化算法設(shè)計及參數(shù)整定
將典型adrc三個組成部分進行線性簡化和參數(shù)整合，建立其優(yōu)化的adrc，并通過仿真驗證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的有效性及可行性，突破了adrc工業(yè)應(yīng)用的限制。
對于式(1)根據(jù)跟蹤微分器的基本結(jié)論，可以得出式(7)也是有效的非線性跟蹤微分器，將其線性化可以得出線性跟蹤微分器算法結(jié)構(gòu)為式(8)。 |
