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《山西大学》 2018年
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基于改进观测器的自抗扰控制方法及其应用

李雷  
【摘要】:扰动实时估计与抑制问题在基于网络的各种定位与控制应用中经常遇到.例如在ad-hoc网络的高精度车辆定位与控制中,由于车辆的高速移动,其无线通信具有组网变换快、信道衰落快、多普勒效应等特点,各种干扰无时无刻不存在,这严重影响系统的稳定运行.因此,扰动的实时估计与抑制就成为保证系统稳定运行的关键因素.近几十年,已经涌现出许多用于研究扰动的实时估计与抑制方法,如:上世纪80年代,日本的Ohnishi教授提出的扰动观测器(DOB);上世纪90年代,中科院韩京清教授提出的基于扩展状态观测器(ESO)的自抗扰控制(ADRC);2008年,密歇根大学Khalil教授提出的扩展高增益观测器方法(EHGSO)等.这些方法的基本思路是将系统扰动增广为系统状态进行估计,其优势是可以同时将模型不确定和未建模部分视为扰动进行估计,这在一定程度上拓展了线性模型的应用范围,使得一些复杂系统的控制问题得以简化.然而,受限于移动网络的有限带宽和嵌入式设备的计算能力,各类自抗扰观测器在移动芯片上的实现始终是一个难以解决的问题.自抗扰控制自提出以来,在工业领域受到很大的关注.其采用“观测+补偿”的方法来实现控制器设计,即先观测控制系统中的扰动、未建模动力学以及不确定性,然后利用非线性反馈的方式来实现补偿.自抗扰控制具有以下优点:可以统一处理确定系统和不确定系统的控制问题;扰动的估计不要求外扰的数学模型已知或者外扰可观测;可以统一处理非线性和线性系统.但不足之处是观测器和控制器的调参过程缺乏严格的理论基础,一定程度上需要依赖经验.本文的主要贡献和创新如下:首先,将自抗扰控制思想引入到具有边值输出常值干扰的Euler-Bernoulli梁方程的镇定问题,提出一类可行的单参数调节方法,并在状态空间上证明系统的适定性以及解的唯一性.该设计方法仅要求系统输出位移信号而不需要速度信号,从而简化控制系统的设计,为同类问题的解决提供新的途径.其次,针对集中参数自抗扰控制问题,设计三类新的自抗扰控制方法:一类是基于扩展H_∞观测器的自抗扰控制,扩展H_∞状态观测器可以在给定的性能指标约束下给出最优观测器的参数设置,估计的相对误差较小,收敛速度较慢,适用于扰动突变频率低的情形;另一类是基于扩展脉冲观测器的自抗扰控制,扩展脉冲观测器通过重置观测器状态达到快速收敛的目的,可缩短估计误差的调节时间,但估计的相对误差稍大,适用于扰动突变频率较高的情形.另外,鉴于PID思想在工业控制领域里的广泛应用,本文还将研究基于简化的PID观测器的自抗扰控制方法,提供一类PID观测器参数配置的方法,为嵌入式自抗扰控制系统的开发提供便利.最后,研究自抗扰控制技术在智能车控制中的应用,针对车距保持控制和悬架控制问题分别设计自抗扰控制算法,对此类算法在工业领域的应用进行有益的尝试.
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O231

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