一種改進的自抗擾與pid的串級控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于高精度的跟蹤控制技術領域，具體涉及一種改進的自抗擾與PID的串 級控制方法。
【背景技術】
[0002] 高精度、快響應一直以來都是跟蹤控制系統所追求的目標。在大多數精密伺服控 制系統中，普遍采用多級反饋來提高系統的響應精度以及響應時間。PID控制器因其結構相 對簡單，概念易于理解且不依賴于數學模型，廣泛用于電流、速度、位置甚至加速度環中。
[0003] 不確定系統控制是控制科學中的核心問題，圍繞這一問題，涌現出大量的控制方 法，從長盛不衰的PID控制到現代的自適應控制、魯棒控制、變結構控制、基于擾動觀測器 的控制，以及不變性原理和非線性輸出調節理論等等。但是，已有的許多不確定系統控制方 法或針對參數不確定性，或針對有界的不確定動態，或針對有界或動態模型已知的外界輸 人擾動，而自抗擾控制（ADRC)思想則允許系統中的不確定性可以既含有內部非線性時變 動態模型（不預先要求有界），又含有外部的不連續擾動。自抗擾控制器從其設計思想的出 現到現在已經經歷了二十多年的曲折發展過程，早期的工作主要集中在對經典PID控制器 的改進上，其發展速度一直比較緩慢，自從1998韓京清老師對改進后的非線性PID控制器 命名為"自抗擾控制器"以后，越來越多的人被其獨特的控制思想以及卓越的控制品質所吸 弓丨，并積極致力于尖端科技領域的應用。近年來，自抗擾控制由于其不需要關注系統的模型 及擾動的特性而受到設計者更為廣泛的關注，無論是在理論上還是在使用方面都已經取得 了優異的成績。
[0004] 目前被廣泛研宄的串級控制方法很多，如PI-PI控制、狀態變量PID串級控制系 統等方法，但是隨著控制品質要求的提高，常規PID串級控制系統已達不到令人滿意的效 果。本發明采用線性自抗擾結構，將其運用于速度環，并將常規PID運用于位置環，構成了 PID-ADRC串級控制回路。此外，本發明在自抗擾的控制律方面作了改進，即將速度環自抗擾 的控制律設計為PID控制器。本發明所提出的控制方法降低了位置跟蹤誤差，提高了系統 跟蹤精度。

【發明內容】

[0005] 針對精密伺服控制系統中，位置換向時存在較大的換向誤差的問題，本發明采用 線性自抗擾控制結構，并將自抗擾的控制律作了改進，將改進的自抗擾控制用于速度環，常 規PID控制用于位置環，提出了一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法。實驗結果表明， 改進后的串級自抗擾減小了位置跟蹤誤差，提高了控制系統的跟蹤精度。
[0006] 本發明采用的技術方案為：一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法，其特征在 于：速度環采用改進的自抗擾控制器，位置環采用常規PID控制器，其具體步驟如下：
[0007] 步驟（1):搭建速度環自抗擾控制器閉環回路；
[0008] 步驟（2):設計自抗擾的擴張狀態觀測器：采用三階線性自抗擾控制結構，并將擴 張狀態觀測器估計出的總擾動加入控制器中，以此來補償系統受到的非線性擾動；
[0009] 步驟⑶：對于速度反饋信號，處理方式如下：
[0010] 方式1.如果在系統中裝有速度傳感器，則將傳感器采回的速度信號直接送入 ESO ；
[0011] 方式2.如果在系統中僅裝有位置傳感器，則將傳感器采回的位置信號的微分作 為速度信號送入ESO ;
[0012] 步驟（4):控制律的設計：將自抗擾的控制律設計為PID控制器；
[0013] 步驟（5):對于速度環自抗擾控制輸入信號的處理：將位置環控制器的輸出作為 速度環控制器的輸入信號；
[0014] 步驟（6):搭建位置環PID控制閉環回路；
[0015] 步驟（7):對于位置反饋信號，處理方式如下：
[0016] 由于系統中裝有位置傳感器，則傳感器采回的位置信號即為反饋信號；
[0017] 步驟（8):對于位置環PID控制輸入信號的處理：
[0018]選擇輸入信號為0Mf= 0.3° sin (Jit)，其中，0 為輸入信號，t為時間。
[0019] 進一步的，步驟（3)中微分信號的處理，還可以用預測控制方法或卡爾曼濾波控 制方法。
[0020] 進一步的，步驟（4)中速度環控制律的設計，除了所述的PID控制器，還可以采用 PI控制器、P控制器或自適應控制器。
[0021] 進一步的，步驟（8)中輸入信號的選擇，可以選擇其它正弦信號。
[0022] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0023] (1)本發明相對于傳統的串級PID控制，明顯減小了位置換向誤差，消除了誤差尖 峰。
[0024] (2)本發明相對于未改進的自抗擾與PID的串級控制，減小了位置跟蹤誤差，無論 是誤差絕對值的最大值，還是誤差的均方差都有一定程度的減小。
[0025] (3)本發明同非線性自抗擾控制相比，該發明方法調試簡單，所需要整定的參數不 多，解決了非線性自抗擾控制參數眾多，調試復雜的問題，進一步推廣了自抗擾控制技術的 應用。
【附圖說明】
[0026] 圖1為改進的自抗擾與PID的串級控制結構圖；
[0027] 圖2為實驗系統結構圖，其中，1為電機，2為負載，3為測速計；
[0028] 圖3為常規PID-PID串級控制位置跟蹤誤差圖；
[0029] 圖4為常規PID-ADRC串級控制位置跟蹤誤差圖；
[0030] 圖5為常規PID與改進的ADRC串級控制位置跟蹤誤差圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下結合附圖，具體說明本發明的實施方式。
[0032] 本發明一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法，其具體實現步驟如下：
[0033] 步驟⑴：搭建速度環自抗擾控制器閉環回路。本發明所用的跟蹤實驗平臺如圖2 所示，由電機1、負載2、連接軸、測速計3,編碼器等組成。速度信號^由測速機采回，位置 信號9 編碼器采回。
[0034] 步驟（2):設計自抗擾的擴張狀態觀測器：采用三階線性自抗擾控制結構，并將擴 張狀態觀測器估計出的總擾動加入控制器中，以此來補償系統受到的非線性擾動，提高系 統精度。
[0035] 自抗擾ESO,具體形式如下：
[0038] 對于觀測器的參數，則根據以下的方法來整定：
[0040] 其中，為觀測器ESO的帶寬，0 p 0 2, 0 3為觀測器ESO的參數，e i為速度環系 統誤差，u為觀測器ESO的輸入，Zl，z2, 23為觀測器ESO的輸出，b為控制器參數。
[0041] 步驟⑶：對于速度反饋信號，由于本實驗系統中裝有速度傳感器，可以將傳感器 采回的速度信號4直接送入速度環ESO。
[0042] 步驟（4):控制律的設計：將自抗擾的控制律設計為PID控制器；
[0043] 具體表達式如下：
[0046] 其中，a = r_Zl，kp，1 kd分別為速度環比例系數，積分系數，微分系數，r為速度環 的輸入信號。
[0047] 步驟（5):對于速度環自抗擾控制輸入信號的處理：將位置環控制器的輸出r作為 速度環控制器的輸入信號；
[0048] 步驟（6):搭建位置環PID控制閉環回路；
[0049] 具體表達式如下：
[0051] 其中，e = pref-ecode，pref為系統輸入信號，ecode為位置環的反饋信號， kpl，kn，k dl分別為比例系數，積分系數，微分系數，r為速度環的輸入信號。
[0052] 步驟（7):對于位置反饋信號，處理方式如下：
[0053] 由于系統中裝有位置傳感器，則傳感器采回的位置信號即為反饋信號ecode ;
[0054] 步驟（8):對于位置環PID控制輸入信號的處理：
[0055] 這里選擇輸入信號為0Mf= 0.3° sin (Jit)，其中，0 為輸入信號，t為時間。
[0056] 圖3至圖5均是在輸入正弦信號0Mf= 0.3° sin (Jit)的情況下，位置跟蹤誤差 結果。
[0057] 圖4反映的是PID與未改進的ADRC的串級控制位置跟蹤誤差圖。可以看到，與圖 3相比，誤差明顯減小。
[0058] 圖5反映的是PID與改進的ADRC的串級控制位置跟蹤誤差圖。可以看到，與圖3 相比，誤差明顯減小，與圖4相比，所提出的改進方法，換向誤差有一定程度的減小，且跟蹤 軌跡較好。
[0059] 本發明未詳細闡述部分屬于本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法，其特征在于：速度環采用改進的自抗擾 控制器，位置環采用常規PID控制器，其具體步驟如下： 步驟（1):搭建速度環自抗擾控制器閉環回路； 步驟（2):設計自抗擾的擴張狀態觀測器：采用三階線性自抗擾控制結構，并將擴張狀 態觀測器估計出的總擾動加入控制器中，以此來補償系統受到的非線性擾動； 步驟（3):對于速度反饋信號，處理方式如下： 方式1.如果在系統中裝有速度傳感器，則將傳感器采回的速度信號直接送入ESO; 方式2.如果在系統中僅裝有位置傳感器，則將傳感器采回的位置信號的微分作為速 度信號送入ESO; 步驟⑷：控制律的設計：將自抗擾的控制律設計為PID控制器； 步驟（5):對于速度環自抗擾控制輸入信號的處理：將位置環控制器的輸出作為速度 環控制器的輸入信號； 步驟（6):搭建位置環PID控制閉環回路； 步驟（7):對于位置反饋信號，處理方式如下： 由于系統中裝有位置傳感器，則傳感器采回的位置信號即為反饋信號； 步驟（8):對于位置環PID控制輸入信號的處理： 選擇輸入信號為0raf=〇. 3°sin〇t)，其中，0 為輸入信號，t為時間。2. 根據權利要求1所述的一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法，其特征在于：步 驟（3)中微分信號的處理還可以通過預測控制方法或卡爾曼濾波控制方法來處理。3. 根據權利要求1所述的一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法，其特征在于：步 驟⑷中速度環控制律的設計，除了所述的PID控制器，還可以采用PI控制器、P控制器， 自適應控制器。4. 根據權利要求1所述的一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法，其特征在于：步 驟（8)中輸入信號的選擇，還可以選擇其它正弦信號。
【專利摘要】本發明涉及一種改進的自抗擾與PID的串級控制方法，針對位置換向時存在較大的換向誤差問題，提出了將自抗擾控制用于精密伺服系統速度環，將常規PID控制用于位置環，構成了自抗擾與PID的串級控制方法。并且，在自抗擾的控制律方面作了改進，改進的實質就是將傳統自抗擾的控制律設計為PID。由于常規非線性自抗擾控制器設計復雜，參數眾多且難以整定，本發明采用線性自抗擾的結構，大大減少了需要整定的參數個數，具有結構簡單，參數容易整定的優勢。所提出的控制方法能減小位置跟蹤誤差，提高系統的跟蹤精度。
【IPC分類】G05D3/12, G05D13/62, G05B13/02, G05B11/42
【公開號】CN104932252
【申請號】CN201510359468
【發明人】左丹, 唐濤, 黃永梅, 蔡華祥
【申請人】中國科學院光電技術研究所
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年6月26日