一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法及其系统

本发明涉及工业过程控制，具体涉及一种基于改进型史密斯预估器的自抗扰控制方法。

背景技术：

1、自抗扰控制(active disturbance rejection control，简称adrc)是一种通过实时估计和抵消系统中存在的各种未知干扰因素，从而实现对系统动态行为精确控制的先进控制方法。其核心思想是通过引入一个补偿器，实时地估计并抵消系统中的各种干扰，以提高系统的鲁棒性和性能，如图1所示。但是在实际工业控制系统中，由于大多数实际工业控制系统表现为大惯性和时滞性等特性，使用低阶次的自抗扰控制器往往无法使控制效果得到大幅度提升。

2、现有2023年06月27日公开的专利文献，cn116339135a，公开了基于模型辅助和类史密斯预估的一阶改进自抗扰控制方法，该方法针对一类采用高阶惯性系统描述的实际工业系统提供了一种基于模型辅助和类史密斯预估的一阶改进自抗扰控制方法，基于高阶惯性系统的输入量和输出量设计类史密斯预估算法；将得到的类史密斯预估算法的输出量和高阶惯性系统的输入量设计基于模型辅助的扩张状态观测算法；将得到的扩张状态观测算法的输出量和系统设定值设计控制律；得到高阶惯性系统的新输入值，根据该值对被高阶惯性系统的输出进行调节与控制，该方法能够充分利用已知的模型信息，并保留了自抗扰控制结构简单和参数易整定的特点，使得闭环系统能够更好地兼顾跟踪能力与抗干扰能力，并且使得闭环系统具有较强的鲁棒性，为在解决一类高阶惯性工业系统的控制问题提供有效的、可靠的控制策略支撑。

3、但是该方法采用的是类史密斯预估算法，当系统模型参数时变或建模误差较大时，将严重影响自抗扰控制器的控制效果。

4、常规史密斯预估器的性能高度依赖于精确的过程模型，而实际系统通常会受到建模误差的影响。模型误差可能导致预测不准确，从而影响控制器的性能。然而要获得精确的工业实际系统时十分困难的，而且对象特性又往往随着运行条件的变化而改变。

5、综上所述，自抗扰技术对于解决系统存在的扰动具有较大优势，然而当系统模型参数时变或建模误差较大时，将严重影响自抗扰控制器的控制效果。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法，解决自抗扰技术对于解决系统存在的扰动具有较大优势，但是当系统模型参数时变或建模误差较大时，将严重影响自抗扰控制器的控制效果的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法，所述方法为：

4、s1、将一类被控的实际工业系统采用高阶惯性时滞系统进行描述；

5、s2、为高阶惯性系统构建改进型史密斯预估器；

6、s3、根据改进型史密斯预估器，得到改进型史密斯预估器的输出量；

7、s4、将输入的控制信号经过补偿部分后与改进型史密斯预估器得到的输出量构建一阶自抗扰控制器中的扩张状态观测器；

8、s5、根据所述扩张状态观测器和实际工业系统的设定值，构建状态误差反馈律；

9、s6、根据所述状态误差反馈律得到该高阶惯性时滞系统的新输入值，根据该值对实际工业系统的输出进行调节和控制。

10、进一步，还有一种优选实施例，上述描述后的实际工业系统表示为：

11、

12、其中，y(s)和u(s)分别代表实际工业系统的输出量和输入量，s,k,t和n分别代表微分算子、实际工业系统的增益、时间常数和阶次，且n≥2，表示高阶系统延迟环节。

13、进一步，还有一种优选实施例，上述步骤s2具体为：

14、在常规史密斯预估器中加入一个除法器和乘法器构建改进型史密斯预估器。

15、进一步，还有一种优选实施例，上述步骤s4中的补偿部分表示为：

16、

17、转换成如下微分形式：

18、

19、令将其看作总扰动，则：

20、

21、其中，y,uf分别为系统的输出量和输入量，d为外部干扰，b0为控制量增益，f为包含外部扰动和系统不确定性的总扰动。

22、进一步，还有一种优选实施例，上述步骤s4中的扩张状态观测器表示为：

23、

24、其中，z＝(z1 z2)t为扩张状态观测器的估计状态，l＝(β1β2)t＝(2ω0ω02)t为带宽；

25、

26、进一步，还有一种优选实施例，上述步骤s5中的状态误差反馈律表示为：

27、

28、其中，ωc为状态误差反馈律的带宽，ωc＝kp，r为给定的参考值。

29、进一步，还有一种优选实施例，上述控制方法是基于一阶自抗扰控制器、改进型史密斯预估器和高阶惯性滞后系统实现的。

30、本发明所述的一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法可以全部采用计算机软件实现，因此，对应的，本发明还提供一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制系统，所述系统包括：

31、用于将一类被控的实际工业系统采用高阶惯性时滞系统进行描述的存储装置；

32、用于为高阶惯性系统构建改进型史密斯预估器的存储装置；

33、用于根据改进型史密斯预估器，得到改进型史密斯预估器的输出量的存储装置；

34、用于将输入的控制信号经过补偿部分后与改进型史密斯预估器得到的输出量构建一阶自抗扰控制器中的扩张状态观测器的存储装置；

35、用于根据所述扩张状态观测器和实际工业系统的设定值，构建状态误差反馈律的存储装置；

36、用于根据所述状态误差反馈律得到该高阶惯性时滞系统的新输入值，根据该值对实际工业系统的输出进行调节和控制的存储装置。

37、本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行实施方式一至实施方式七任意一项所述的一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法。

38、本发明还提供一种计算机设备，该设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行实施方式一至实施方式七任意一项所述的一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法。

39、本发明的有益效果为：

40、1、本发明提供一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法，从工业实际系统的应用角度出发，对常规史密斯预估器进行改进，在加入除法器和乘法器基础上将该改进型史密斯预估器与一阶线性自抗扰控制器相结合，使得该方法能够降低实际工业系统阶次，抵消被控过程时滞环节，对过程参数的时变具有良好的补偿效果，并且保留线性自抗扰控制结构简单，参数整定容易的特点，提高整个控制系统的抗干扰能力和跟踪能力，使系统获得更强的鲁棒性。

41、2、本发明提供一种基于改进型史密斯预估器的一阶自抗扰控制方法，在常规史密斯预估器中加入一个除法器和乘法器构建改进型史密斯预估器，用于通过预测系统的未来行为，以抵消时滞对系统性能的影响，将改进型史密斯预估器与实际工业被控对象并联，使得闭环控制系统特征方程不含时滞项，解决系统延迟问题，除了在解决系统延迟方面表现优异外，同时可通过乘法器、除法器处理系统模型参数建模不准确及模型参数时变的问题，如系统增益k0和延迟时间τ0的变化。

42、本发明适用于工业控制过程中的自抗扰控制领域。