一种广义估计器、广义抗扰控制器及设计方法

1.本发明涉及估计器领域，特别是涉及一种广义估计器、广义抗扰控制器及设计方法。

背景技术：

2.机电控制系统设计的一大任务是：采取什么策略抑制各种扰动。比如，1)基于扰动观测器的控制(dobc，disturbance observer based control)，2)tornamb
è
控制器(tc)，3)自抗扰控制(adrc)，4)预期动态pid(dde-pid)，5)串级控制(cc)等的控制结构，都是通过不同的控制策略来抑制各种扰动。这些抗扰控制器的应用都有其不同的前提条件和缺点。1)dobc需要对被控对象标称模型求逆，在标称对象不可逆且相对阶次大于或等于2时设计过程较为繁琐；2)tc需要小于相对阶次的各阶导数信息可测；3)adrc将所有对象的标称模型认为是积分串联型，未能充分利用模型信息；4)dde-pid需要对微分环节进行特殊处理，且未能充分利用模型信息；5)cc需要被控对象中间变量可测。
3.除此之外，实际工程中，往往需要根据模型的先验知识、硬件条件、工程师的知识水平和结构选择设计估计器。但是上述不同的估计器的设计原理差别较大，工程师们很难对他们的性能都熟悉并且设计出合适的估计器。因此迫切需要提出一个在结构上统一，在功能上可以相互转化的实用的估计器。这个估计器应该具有这样的特点：即便在不同情况下，它在结构和设计上也应该遵循同样的方法，而在功能上，可以根据不同的模型信息和估计要求进行调节。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种广义估计器、广义抗扰控制器及设计方法，以提出一个结构统一、功能相互转化的广义估计器以及通用的抗扰控制器，能够依据绝大多数系统的现有条件设计不同的控制策略。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种广义估计器，所述广义估计器包括：内环估计控制器和被控对象的标称模型模块；
7.内环估计控制器与被控对象的标称模型模块连接；
8.所述内环估计控制器用于根据输入量和虚拟测量输出量，向标称模型模块传输控制信号；
9.所述标称模型模块用于将控制信号输入被控对象的标称模型，得到被控输出向量和虚拟测量输出量，并将所述虚拟测量输出量传输至内环估计控制器。
10.可选的，所述广义估计器的传递函数包括：输入量y到被控输出向量yv的传递函数，以及输入量y到虚拟测量输出量yc的传递函数；
11.所述输入量y到被控输出向量yv的传递函数为式中，表示输入量y到被控输出向量yv的传递函数，g2表示第二广义对象传递矩阵，eb表示第
一控制器传递矩阵，ef表示第二控制器传递矩阵；
12.所述输入量y到虚拟测量输出量yc的传递函数为式中，表示输入量y到虚拟测量输出量yc的传递函数，g1表示第一广义对象传递矩阵。
13.可选的，当被控对象的标称模型已知且标称模型仅有一个时，控制信号ue为被控对象逆的估计值，广义估计器等效成扰动观测器；
14.当被控对象的标称模型已知且标称模型有两个及以上时，控制信号ue为被控对象逆的估计值，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量是系统的中间变量的估计值，广义估计器等效成串级结构的控制器；
15.当被控对象的标称模型为积分串联型时，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量、控制信号ue均是系统的导数信息的估计值，广义估计器等效成自抗扰控制器的扩张状态观测器；
16.当被控对象输出的导数信息直接可测时，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量是系统的导数信息的测量值，广义估计器等效成tornambe型鲁棒控制器。
17.可选的，所述标称模型模块中被控对象的标称模型为一个或多个；
18.当被控对象的标称模型为多个时，多个标称模型以串级形式连接。
19.一种广义抗扰控制器，所述广义抗扰控制器包括：外环控制器和前述的广义估计器；
20.外环控制器的输入端与广义估计器中标称模型模块的输出端连接，外环控制器的输出端与被控对象的输入端连接；所述外环控制器用于根据参考信号和被控输出向量获得控制量，并将控制量传输至被控对象；
21.被控对象的输出端与广义估计器的输入端连接；所述被控对象用于在控制量的控制下以及扰动量的干扰下生成输出量，并将输出量作为广义估计器的输入量输入广义估计器；
22.所述广义估计器用于根据输入量获得被控输出向量，并将被控输出向量传输至外环控制器。
23.可选的，所述外环控制器包括：控制器c、第一作差模块、第二作差模块和广义滤波器；
24.控制器c的输入端与广义估计器中标称模型模块的输出端连接，控制器c的输出端与第一作差模块的第一输入端连接；所述控制器c用于输入参考信号，并根据参考信号和虚拟测量输出量输出跟踪控制分量；
25.第一作差模块的第二输入端与广义滤波器的输出端连接，第一作差模块的输出端分别与第二作差模块的第一输入端和被控对象的输入端连接；所述第一作差模块用于将跟踪控制分量减去广义滤波器输出的扰动估计量，获得控制量，并将控制量分别传输至第二作差模块和被控对象；
26.第二作差模块的第二输入端与广义估计器中内环估计控制器的输出端连接，第二作差模块的输出端与广义滤波器的输入端连接；所述第二作差模块用于将控制信号减去控制量后传输至广义滤波器。
27.可选的，所述外环控制器中的控制公式为
[0028][0029]
式中，u表示控制量，u0表示跟踪控制分量，表示扰动估计量，cf表示前馈控制器，cb表示反馈控制器，q表示广义滤波器的品质因数，kq表示滤波系数，s表示微分算子，r表示参考信号，yv表示虚拟测量输出量，yv：＝(y
v1
，y
v2
，y
v3
，...，y
v(m-1)
，y
vm
)
t
，y
vi
表示第m-(i-1)个标称模型的输出量，i＝1,2,3,
…
,m-1,m；符号:＝为定义符号。
[0030]
可选的，所述广义抗扰控制器的传递函数包括：参考信号r到输入量y的传递函数，以及扰动量d到输入量y的传递函数；
[0031]
所述参考信号r到输入量y的传递函数为式中，表示参考信号r到输入量y的传递函数，g
p
表示真实被控对象的输入输出关系，c
bq
表示反馈控制器和广义滤波器向量，c
bq
:＝(c
b q)，表示输入量y到被控输出向量yv的传递函数；
[0032]
所述扰动量d到输入量y的传递函数为式中，表示扰动量d到输入量y的传递函数。
[0033]
一种广义抗扰控制器设计方法，所述设计方法包括：
[0034]
确定被控对象的标称模型；
[0035]
根据被控对象的标称模型，整定广义估计器中内环估计控制器的参数；
[0036]
将整定好的广义估计器的输入端与被控对象的输出接口对接，并将整定好的广义估计器的输出端与外环控制器的输入接口对接，完成广义抗扰控制器的结构配置；
[0037]
整定外环控制器的参数，获得整定好的广义抗扰控制器。
[0038]
可选的，所述确定被控对象的标称模型，具体包括：
[0039]
当被控对象为一个相对阶次为1的最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p1
表示最小相位的机电系统输入输出关系，g
n1
表示g
p1
对应的标称模型传递函数，s表示微分算子；
[0040]
当被控对象为一个相对阶次为1的非最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p2
表示非最小相位的机电系统输入输出关系，g
n2
表示g
p2
对应的标称模型传递函数；
[0041]
当被控对象为一个相对阶次为2的最小相位的机电系统时，得
到标称模型为式中，g
p3
表示相对阶次为2的最小相位的机电系统输入输出关系，g
n3
表示g
p3
对应的标称模型传递函数；
[0042]
当被控对象为一个相对阶次为2的最小相位的串级机电系统时，得到标称模型为和式中，g
p
表示相对阶次为2的最小相位的串级机电系统输入输出关系，g
′
n1
表示串级机电系统第一级标称模型传递函数，g
′
n2
表示串级机电系统第二级标称模型传递函数。
[0043]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0044]
本发明公开一种广义估计器、广义抗扰控制器及设计方法，广义估计器包括内环估计控制器和被控对象的标称模型模块，内环估计控制器向标称模型模块传输控制信号，标称模型模块中包含被控对象的标称模型，该广义估计器结构统一、功能能够相互转化；通过广义估计器的结构将典型的抗扰控制器统一到同一个控制框架中，得到一个更为通用的广义抗扰控制器，广义抗扰控制器能够依据绝大多数系统的现有条件设计不同的控制策略。
[0045]
本发明中的广义抗扰控制器能容易根据反馈系统的需求引出被控对象的逆、中间变量等估计信息。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明实施例提供的广义估计器的结构图；
[0048]
图2为本发明实施例提供的广义抗扰控制器的结构图；
[0049]
图3为本发明实施例提供的广义抗扰控制器设计方法的流程图；
[0050]
图4为本发明实施例提供的相对阶次为1的最小相位的机电系统在传统的基于扰动观测器的控制与基于广义估计器的扰动观测器的控制下抗扰性能方面的对比效果图；图4中的(a)为输入量y的对比效果图，图4中的(b)为控制量u的对比效果图；
[0051]
图5为本发明实施例提供的相对阶次为1的非最小相位的机电系统在传统的基于扰动观测器的控制与基于广义估计器的扰动观测器的控制下抗扰性能方面的对比效果图；图5中的(a)为输入量y的对比效果图，图5中的(b)为控制量u的对比效果图；
[0052]
图6为本发明实施例提供的传统的自抗扰控制与基于广义估计器的自抗扰控制在跟踪性能和抗扰性能方面的对比效果图；图6中的(a)为输入量y的对比效果图，图6中的(b)为控制量u的对比效果图；
[0053]
图7为本发明实施例提供的传统的tornambe型鲁棒控制器与基于广义估计器的tornambe型鲁棒控制器在跟踪性能和抗扰性能方面的对比效果图；图7中的(a)为输入量y的对比效果图，图7中的(b)为控制量u的对比效果图；
[0054]
图8为本发明实施例提供的传统的串级控制与本专利提出的基于广义估计器的串
级控制在跟踪性能和抗扰性能方面的对比效果图；图8中的(a)为输入量y的对比效果图，图8中的(b)为控制量u的对比效果图。
具体实施方式
[0055]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
本发明的目的是提供一种广义估计器、广义抗扰控制器及设计方法，以提出一个结构统一、功能相互转化的广义估计器以及通用的抗扰控制器，能够依据绝大多数系统的现有条件设计不同的控制策略。
[0057]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0058]
实施例1
[0059]
本发明在对各类观测器进行大量理论和应用研究后，深入挖掘了他们本质和其之间的内在联系，提出一种结构上更为一般，功能上更为多样的估计器，名为广义估计器(ge，generalized estimating)。这种估计器在结构上搭建起了一个桥梁，通过这个桥梁可以实现不同观测器之间的功能转化。具体地，ge是由标况模型和控制器共同组成的闭环估计器。标况模型根据研究者对模型信息的先验知识，可以是精确模型、弱模型甚至是无模型信息的。
[0060]
参见图1，本发明实施例提供的一种广义估计器包括：内环估计控制器和被控对象的标称模型模块。内环估计控制器与被控对象的标称模型模块连接。内环估计控制器用于根据输入量和虚拟测量输出量，向标称模型模块传输控制信号。标称模型模块用于将控制信号输入被控对象的标称模型，得到被控输出向量和虚拟测量输出量，并将虚拟测量输出量传输至内环估计控制器。
[0061]
图1中，yc为被控输出向量，yv表示虚拟测量输出量。ge的输入输出关系可以表示为
[0062][0063]
此处，g和e分别表示广义对象传递矩阵和控制器传递矩阵，g1表示第一广义对象传递矩阵，g2表示第二广义对象传递矩阵，表示被控输出向量的估计值，表示虚拟测量输出估计量，ue为控制信号，表示控制信号估计值，表示输入量的估计值，eb表示第一控制器传递矩阵，ef表示第二控制器传递矩阵。一般地
[0064]
yc:＝(y
e1
,y
e2
,y
e3
,
…
,y
e(m-1)
,y
em
,ue)
t
[0065]yv
:＝(y
v1
,y
v2
,y
v3
,
…
,y
v(m-1)
,y
vm
)
t
[0066]
其中，y
ei
表示第m-(i-1)个标称模型的输出量，i＝1,2,3,
…
,m-1,m；符号:＝为定义符号。此时，
[0067][0068]
其中，t1和t2为传递矩阵，t1一般为单位阵，g
ni
表示第i个标称模型。t2一般为如下对角阵
[0069][0070]
此时，g2简化为
[0071][0072]
因此，ge可以描述为
[0073][0074][0075]
其中，和分别为y到yv和yc的传递函数。
[0076]
示例性的，当被控对象的标称模型已知且标称模型仅有一个时，控制信号ue为被控对象逆的估计值，广义估计器等效成扰动观测器。
[0077]
当被控对象的标称模型已知且标称模型有两个及以上时，控制信号ue为被控对象逆的估计值，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量是系统的中间变量的估计值，广义估计器等效成串级结构的控制器。
[0078]
当被控对象的标称模型为积分串联型时，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量、控制信号ue均是系统的导数信息的估计值，广义估计器等效成自抗扰控制器的扩张状态观测器。
[0079]
当被控对象输出的导数信息直接可测时，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量是系统的导数信息的测量值，广义估计器等效成tornambe型鲁棒控制器。
[0080]
标称模型模块中被控对象的标称模型为一个或多个。当被控对象的标称模型为多个时，多个标称模型以串级形式连接。
[0081]
实施例2
[0082]
本发明实施例提供了一种广义抗扰控制器，如图2所示，广义抗扰控制器包括：外环控制器和实施例1的广义估计器。外环控制器的输入端与广义估计器中标称模型模块的输出端连接，外环控制器的输出端与被控对象的输入端连接。外环控制器用于根据参考信号和被控输出向量获得控制量，并将控制量传输至被控对象。被控对象的输出端与广义估计器的输入端连接，被控对象用于在控制量的控制下以及扰动量的干扰下生成输出量，并将输出量作为广义估计器的输入量输入广义估计器。广义估计器用于根据输入量获得被控输出向量，并将被控输出向量传输至外环控制器。
[0083]
在一个示例中，外环控制器包括：控制器c、第一作差模块、第二作差模块和广义滤波器。控制器c的输入端与广义估计器中标称模型模块的输出端连接，控制器c的输出端与第一作差模块的第一输入端连接。控制器c用于输入参考信号，并根据参考信号和虚拟测量输出量输出跟踪控制分量。第一作差模块的第二输入端与广义滤波器的输出端连接，第一作差模块的输出端分别与第二作差模块的第一输入端和被控对象的输入端连接。第一作差模块用于将跟踪控制分量减去广义滤波器输出的扰动估计量，获得控制量，并将控制量分别传输至第二作差模块和被控对象。第二作差模块的第二输入端与广义估计器中内环估计控制器的输出端连接，第二作差模块的输出端与广义滤波器的输入端连接。第二作差模块用于将控制信号减去控制量后传输至广义滤波器。
[0084]
外环控制器中的控制公式为
[0085][0086]
式中，u表示控制量，u0表示跟踪控制分量，表示扰动估计量，cf表示前馈控制器，cb表示反馈控制器，q表示广义滤波器的品质因数，r表示参考信号，yv表示虚拟测量输出量，yv：＝(y
v1
，y
v2
，y
v3
，...，y
v(m-1)
，y
vm
)
t
，y
vi
表示第m-(i-1)个标称模型的输出量，i＝1,2,3,
…
,m-1,m；符号:＝为定义符号。
[0087]
广义抗扰控制器的传递函数除了包括广义估计器的两个传递函数，还包括：参考信号r到输入量y的传递函数，以及扰动量d到输入量y的传递函数。
[0088]
参考信号r到输入量y的传递函数为式中，表示参考信号r到输入量y的传递函数，g
p
表示真实被控对象的输入输出关系，c
bq
表示反馈控制器和广义滤波器向量，c
bq
:＝(c
b q)，表示输入量y到被控输出向量yv的传递函数。
[0089]
扰动量d到输入量y的传递函数为式中，表示扰动量d到输入量y的传递函数。
[0090]
广义抗扰控制器提供了一个统一的抗扰控制系统设计架构，其涵盖了，1)基于扰动观测器的控制(dobc)，2)tornamb
è
控制器(tc)，3)自抗扰控制(adrc)，4)预期动态pid(dde-pid)，5)串级控制(cc)等的控制结构，因此称其为广义抗扰控制器。广义抗扰控制器能容易根据反馈系统的需求引出被控对象的逆、中间变量等估计信息。
[0091]
实施例3
[0092]
本发明实施例对实施例2的广义抗扰控制器提出了一种广义抗扰控制器设计方法，如图3所示，设计方法包括以下步骤：
[0093]
步骤s1，确定被控对象的标称模型。
[0094]
下面以举例的方式说明如何确定被控对象的标称模型：
[0095]
当被控对象为一个相对阶次为1的最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p1
表示最小相位的机电系统输入输出关系，g
n1
表示g
p1
对应的标称模型传递函数，s表示微分算子；
[0096]
当被控对象为一个相对阶次为1的非最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p2
表示非最小相位的机电系统输入输出关系，g
n2
表示g
p2
对应的标称模型传递函数；
[0097]
当被控对象为一个相对阶次为2的最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p3
表示相对阶次为2的最小相位的机电系统输入输出关系，g
n3
表示g
p3
对应的标称模型传递函数；
[0098]
当被控对象为一个相对阶次为2的最小相位的串级机电系统时，得到标称模型为和式中，g
p
表示相对阶次为2的最小相位的串级机电系统输入输出关系，g
′
n1
表示串级机电系统第一级标称模型传递函数，g
′
n2
表示串级机电系统第二级标称模型传递函数。
[0099]
步骤s2，根据被控对象的标称模型，整定广义估计器中内环估计控制器的参数。
[0100]
ge是由内环估计控制器e和被控对象的串级形式的标称模型g
n1
，g
n2
至g
nm
组成的闭环系统，如图1的ge结构示意图所示。整定内环估计控制器e的参数，使ge输出y
e1
尽可能快地逼近ge输入y。原则上控制器e可以为任意控制器。这里推荐一种基于预期动态比例积分微分(dde-pid)控制器。
[0101][0102]
其中，p,i,di,b,i＝1,2,
…
,i＝m-1为待调参数，具体为
[0103][0104]
一个常用的关系定义如下
[0105][0106]
其中，ωe是ge的预期带宽。另一个常用的关系为
[0107][0108]
因此，ge只有三个参数需要整定ωe,γ,l。一个简单的工程方法来整定这三个参数。
[0109]
1)将ωe设置为被控对象截止频率；
[0110]
2)根据控制系统要求选取γ；
[0111]
3)选取一个足够大的l；
[0112]
4)当不满足控制要求时，减小l直至系统临界稳定；
[0113]
5)若在该ωe没有满足控制要求的l时，增大ωe并重复步骤3)和4)；
[0114]
6)重复步骤5)直到满足控制要求。
[0115]
那么，ge会有如下性质
[0116]
1.当被控对象的标称模型已知且标称模型仅有一个时，ue为被控对象逆的估计值。此时，广义估计器等效成扰动观测器，广义估计器通过一种简单的且非直接求逆的方式实现了对标称模型的逆的估计。
[0117]
2.当被控对象的标称模型已知且标称模型有两个及以上时，ue为被控对象逆的估计值，y
e2
至y
e(m-1)
、y
em
是系统的中间变量的估计值。此时，广义估计器等效成串级结构的控制，广义估计器通过一种简单的且非直接测量中间变量的方式实现了对中间变量的估计。
[0118]
3.当被控对象的标称模型为积分串联型时，即g
n1
＝g
n2
＝...＝g
nm
＝1/s，广义估计器等效成自抗扰控制器的扩张状态观测器，y
e2
至y
e(m-1)
、y
em
、ue是系统的导数信息的估计值。
[0119]
4.当被控对象输出的导数信息直接可测时，广义估计器等效成tornambe型鲁棒控制器，y
e2
至y
e(m-1)
、y
em
是系统的导数信息的测量值。
[0120]
通过上述分析，不难看出，广义估计器为不同的控制方法(基于扰动观测器的控
制、串级控制、自抗扰控制器、tornambe型鲁棒控制器)提供了一个统一的设计框架且整定方法简单物理意义明确，在这种框架下，广义估计器可以实现等效的控制策略。
[0121]
步骤s3，将整定好的广义估计器的输入端与被控对象的输出接口对接，并将整定好的广义估计器的输出端与外环控制器的输入接口对接，完成广义抗扰控制器的结构配置。
[0122]
接口对接：配置广义抗扰控制器(gdrc)结构。将整定好的广义估计器的输入量y与被控系统输出接口对接，将广义估计器的输出ue、y
e1
至y
e(m-1)
、y
em
与控制器相应接口对接，完成广义抗扰控制器结构配置，如图2所示。
[0123]
步骤s4，整定外环控制器的参数，获得整定好的广义抗扰控制器。
[0124]
整定广义抗扰控制器参数。根据系统鲁棒性能、抗扰性能、跟踪性能设计图2中控制器c和广义滤波器q的结构并整定其参数，其中c的输入为参考信号r和反馈信号yv。
[0125][0126]
和分别为r和d到y的传递函数，分别表示为
[0127][0128][0129]
其中，
[0130]
c:＝(cfꢀ‑
cb)
[0131]cbq
:＝(c
b q)
[0132]
原则上控制器c可以为任意控制器，这里推荐采用内环估计控制器e的设计方法，即dde-pid控制器，其整定流程也跟e是一致的，此处不赘述。
[0133][0134]
其中，kq为滤波系数。
[0135]
本发明基于预期动态参数化的基本思想设计ge的控制器。采用dde pid对ge的闭环特性进行配置，最终将闭环动态整定到一个更为规范的预期动态上去。在这种预期动态上ge的特性更便于分析，且这种基于预期动态参数化的方法整定方便且物理意义明确。
[0136]
广义抗扰控制器内环的广义估计器通过预期动态pid进行设计，因此广义估计器的估计性能可以根据与预期动态之间的差距进行很直观的评估。广义抗扰控制器内环的广义估计器估计的收敛速度可以通过预期动态pid进行直观的调节。
[0137]
下面结合附图4至图8对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
[0138]
对一个相对阶次为1的最小相位的机电系统得到其标称模型为利用标称模型设计一个内环估计控制器e，使其动态特性尽可能得快。根据系统鲁棒性能、抗扰性能、跟踪性能要求，完成控制器c和广义滤波器q的设计。图4所示为传统的基于扰动观测器的控制与本专利提出的基于广义估计器的扰动观测器的控制在抗扰性能方面的对比效果。
[0139]
对一个相对阶次为1的非最小相位的机电系统利用标称模型设计一个内环估计控制器e，使其动态特性尽可能得快。根据系统鲁棒性能、抗扰性能、跟踪性能要求，完成控制器c和广义滤波器q的设计。图5所示为传统的基于扰动观测器的控制与本专利提出的基于广义估计器的扰动观测器的控制在抗扰性能方面的对比效果。
[0140]
对一个相对阶次为2的最小相位的机电系统利用标称模型设计一个内环估计控制器e，使其动态特性尽可能得快。根据系统鲁棒性能、抗扰性能、跟踪性能要求，完成控制器c和广义滤波器q的设计。图6所示为传统的自抗扰控制与本专利提出的基于广义估计器的自抗扰控制在跟踪性能和抗扰性能方面的对比效果。
[0141]
对一个相对阶次为2的最小相位的机电系统利用标称模型设计一个内环估计控制器e，使其动态特性尽可能得快。根据系统鲁棒性能、抗扰性能、跟踪性能要求，完成控制器c和广义滤波器q的设计。图7所示为传统的tornambe型鲁棒控制器与本专利提出的基于广义估计器的tornambe型鲁棒控制器在跟踪性能和抗扰性能方面的对比效果。
[0142]
对一个相对阶次为2的最小相位的串级机电系统得到其标称模型为利用标称模型设计一个内环估计控制器e，使其动态特性尽可能得快。根据系统鲁棒性能、抗扰性能、跟踪性能要求，完成控制器c和广义滤波器q的设计。图8所示为传统的串级控制与本专利提出的基于广义估计器的串级控制在跟踪性能和抗扰性能方面的对比效果。
[0143]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0144]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种广义估计器，其特征在于，所述广义估计器包括：内环估计控制器和被控对象的标称模型模块；内环估计控制器与被控对象的标称模型模块连接；所述内环估计控制器用于根据输入量和虚拟测量输出量，向标称模型模块传输控制信号；所述标称模型模块用于将控制信号输入被控对象的标称模型，得到被控输出向量和虚拟测量输出量，并将所述虚拟测量输出量传输至内环估计控制器。2.根据权利要求1所述的广义估计器，其特征在于，所述广义估计器的传递函数包括：输入量y到被控输出向量y
v
的传递函数，以及输入量y到虚拟测量输出量y
c
的传递函数；所述输入量y到被控输出向量y
v
的传递函数为式中，表示输入量y到被控输出向量y
v
的传递函数，g2表示第二广义对象传递矩阵，e
b
表示第一控制器传递矩阵，e
f
表示第二控制器传递矩阵；所述输入量y到虚拟测量输出量y
c
的传递函数为式中，表示输入量y到虚拟测量输出量y
c
的传递函数，g1表示第一广义对象传递矩阵。3.根据权利要求1所述的广义估计器，其特征在于，当被控对象的标称模型已知且标称模型仅有一个时，控制信号u
e
为被控对象逆的估计值，广义估计器等效成扰动观测器；当被控对象的标称模型已知且标称模型有两个及以上时，控制信号u
e
为被控对象逆的估计值，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量是系统的中间变量的估计值，广义估计器等效成串级结构的控制器；当被控对象的标称模型为积分串联型时，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量、控制信号u
e
均是系统的导数信息的估计值，广义估计器等效成自抗扰控制器的扩张状态观测器；当被控对象输出的导数信息直接可测时，最后一级标称模型以外的标称模型的输出量是系统的导数信息的测量值，广义估计器等效成tornambe型鲁棒控制器。4.根据权利要求1所述的广义估计器，其特征在于，所述标称模型模块中被控对象的标称模型为一个或多个；当被控对象的标称模型为多个时，多个标称模型以串级形式连接。5.一种广义抗扰控制器，其特征在于，所述广义抗扰控制器包括：外环控制器和权利要求1-4任一项所述的广义估计器；外环控制器的输入端与广义估计器中标称模型模块的输出端连接，外环控制器的输出端与被控对象的输入端连接；所述外环控制器用于根据参考信号和被控输出向量获得控制量，并将控制量传输至被控对象；被控对象的输出端与广义估计器的输入端连接；所述被控对象用于在控制量的控制下以及扰动量的干扰下生成输出量，并将输出量作为广义估计器的输入量输入广义估计器；所述广义估计器用于根据输入量获得被控输出向量，并将被控输出向量传输至外环控制器。6.根据权利要求5所述的广义抗扰控制器，其特征在于，所述外环控制器包括：控制器
c、第一作差模块、第二作差模块和广义滤波器；控制器c的输入端与广义估计器中标称模型模块的输出端连接，控制器c的输出端与第一作差模块的第一输入端连接；所述控制器c用于输入参考信号，并根据参考信号和虚拟测量输出量输出跟踪控制分量；第一作差模块的第二输入端与广义滤波器的输出端连接，第一作差模块的输出端分别与第二作差模块的第一输入端和被控对象的输入端连接；所述第一作差模块用于将跟踪控制分量减去广义滤波器输出的扰动估计量，获得控制量，并将控制量分别传输至第二作差模块和被控对象；第二作差模块的第二输入端与广义估计器中内环估计控制器的输出端连接，第二作差模块的输出端与广义滤波器的输入端连接；所述第二作差模块用于将控制信号减去控制量后传输至广义滤波器。7.根据权利要求6所述的广义抗扰控制器，其特征在于，所述外环控制器中的控制公式为式中，u表示控制量，u0表示跟踪控制分量，表示扰动估计量，c
f
表示前馈控制器，c
b
表示反馈控制器，q表示广义滤波器的品质因数，k
q
表示滤波系数，s表示微分算子，r表示参考信号，y
v
表示虚拟测量输出量，y
v
：＝(y
v1
，y
v2
，y
v3
，...，y
v(m-1)
，y
vm
)
t
，y
vi
表示第m-(i-1)个标称模型的输出量，i＝1,2,3,
…
,m-1,m；符号:＝为定义符号。8.根据权利要求7所述的广义抗扰控制器，其特征在于，所述广义抗扰控制器的传递函数包括：参考信号r到输入量y的传递函数，以及扰动量d到输入量y的传递函数；所述参考信号r到输入量y的传递函数为式中，表示参考信号r到输入量y的传递函数，g
p
表示真实被控对象的输入输出关系，c
bq
表示反馈控制器和广义滤波器向量，c
bq
:＝(c
b q)，表示输入量y到被控输出向量y
v
的传递函数；所述扰动量d到输入量y的传递函数为式中，表示扰动量d到输入量y的传递函数。9.一种广义抗扰控制器设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：确定被控对象的标称模型；根据被控对象的标称模型，整定广义估计器中内环估计控制器的参数；将整定好的广义估计器的输入端与被控对象的输出接口对接，并将整定好的广义估计器的输出端与外环控制器的输入接口对接，完成广义抗扰控制器的结构配置；
整定外环控制器的参数，获得整定好的广义抗扰控制器。10.根据权利要求9所述的广义抗扰控制器设计方法，其特征在于，所述确定被控对象的标称模型，具体包括：当被控对象为一个相对阶次为1的最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p1
表示最小相位的机电系统输入输出关系，g
n1
表示g
p1
对应的标称模型传递函数，s表示微分算子；当被控对象为一个相对阶次为1的非最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p2
表示非最小相位的机电系统输入输出关系，g
n2
表示g
p2
对应的标称模型传递函数；当被控对象为一个相对阶次为2的最小相位的机电系统时，得到标称模型为式中，g
p3
表示相对阶次为2的最小相位的机电系统输入输出关系，g
n3
表示g
p3
对应的标称模型传递函数；当被控对象为一个相对阶次为2的最小相位的串级机电系统时，得到标称模型为和式中，g
p
表示相对阶次为2的最小相位的串级机电系统输入输出关系，g
′
n1
表示串级机电系统第一级标称模型传递函数，g
′
n2
表示串级机电系统第二级标称模型传递函数。

技术总结

本发明涉及一种广义估计器、广义抗扰控制器及设计方法，属于估计器领域，广义估计器包括内环估计控制器和被控对象的标称模型模块，内环估计控制器向标称模型模块传输控制信号，标称模型模块中包含被控对象的标称模型，该广义估计器结构统一、功能能够相互转化；通过广义估计器的结构将典型的抗扰控制器统一到同一个控制框架中，得到一个更为通用的广义抗扰控制器，广义抗扰控制器能够依据绝大多数系统的现有条件设计不同的控制策略。的现有条件设计不同的控制策略。的现有条件设计不同的控制策略。