一种经典控制与现代控制结合的控制器及控制方法

1.本发明涉及自动化控制技术领域，特别是涉及一种经典控制与现代控制结合的控制器及控制方法。

背景技术：

[0002]“经典控制理论”是20世纪30年代开始形成，到50年代发展成熟，研究对象只是一个输入变量和一个输出变量、参数不随时间变化的单变量定常系统，其数学基础是拉普拉斯变换，通常采用输入输出间的传递函数作为系统的数学模型，分析和综合系统的基本方法是频率响应和根轨迹法。
[0003]“现代控制理论”是在“经典控制理论”基础上，于20世纪60年代以后发展起来的。由卡尔曼(r
·e·
kalman)提出的线性控制系统的状态空间方法、能控性和能观测性的概念，奠定了现代控制理论的基础，并提出卡尔曼滤波，其在随机控制系统的分析与控制中得到广泛应用；由庞特里亚金等人提出最大值原理，深入地研究了最优控制问题；由贝尔曼(r
·
bellman)提出动态规划，广泛用于各类最优控制问题。
[0004]
但经典控制理论和现代控制理论均存在各自的缺陷，经典控制理论不适用于时变系统、多变量系统，难以揭示系统更深刻的特性；现代控制理论对模型误差角敏感。

技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种经典控制与现代控制结合的控制器及控制方法，达到提高响应速度的目的。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007]
一种经典控制与现代控制结合的控制器，包括：内环结构和外环结构；
[0008]
所述内环结构的控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略；
[0009]
所述外环结构的控制策略为基于误差来消除误差的控制策略。
[0010]
可选地，所述外环结构包括：
[0011]
误差计算单元，用于根据输入的被控制量和输出反馈量计算误差值；
[0012]
经典控制器，用于基于外环控制策略，将所述误差值转换为经典控制量；所述外环控制策略为基于误差来消除误差的控制策略；
[0013]
所述内环结构，用于根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量；所述被控对象控制量为所述被控对象的输入，所述输出反馈量为所述被控对象的输出；所述内环控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略。
[0014]
可选地，所述内环结构至少包括：
[0015]
现代控制器，与所述被控对象并联连接，用于：
[0016]
基于所述内环控制策略和所述被控对象的内部状态信息，确定现代控制量；
[0017]
基于所述经典控制量和所述现代控制量确定被控对象控制量。
[0018]
可选地，所述经典控制器为pid控制器或者自抗扰控制器。
[0019]
可选地，所述现代控制器为滑模控制器、lqr控制器、显模型控制器或者隐模型控制器。
[0020]
可选地，所述经典控制与现代控制结合的控制器应用于多输入多输出的直升机模型中，所述被控制量为总距杆制动量、周期变距杆制动量和脚踏板制动量；所述输出反馈量为偏航角速度、滚转角速率和俯仰角速率。
[0021]
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
[0022]
一种经典控制与现代控制结合的控制方法，包括：
[0023]
根据输入的被控制量和输出反馈量计算误差值；
[0024]
基于外环控制策略，将所述误差值转换为经典控制量；所述外环控制策略为基于误差来消除误差的控制策略；
[0025]
根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量；所述被控对象控制量为所述被控对象的输入，所述输出反馈量为所述被控对象的输出；所述内环控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略。
[0026]
可选地，所述根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量，具体包括：
[0027]
基于所述内环控制策略和所述被控对象的内部状态信息，确定现代控制量；
[0028]
基于所述经典控制量和所述现代控制量确定被控对象控制量。
[0029]
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：
[0030]
本发明将经典控制与现代控制结合，大幅度提高响应速度，同时保留了经典控制优点，对模型误差不敏感。
附图说明
[0031]
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。
[0032]
图1为经典控制方法对应的控制结构图；
[0033]
图2为现在控制方法对应的控制结构图；
[0034]
图3为本发明经典控制器与现在控制器独立组合后的第一控制结构图；
[0035]
图4为本发明经典控制器与现在控制器独立组合后的第二控制结构图；
[0036]
图5为本发明经典控制与现代控制结合的控制器的结构图；
[0037]
图6为本发明隐模型控制器的结构图；
[0038]
图7为本发明pid控制器与隐模型控制器结合后的控制器的结构图；
[0039]
图8为本发明pid控制器与隐模型控制器结合后的控制器，与单独隐模型控制器的响应对比图；
[0040]
图9为本发明pid控制器与隐模型控制器结合后的控制器，与单独隐模型控制器的模型误差为25％响应对比图；
[0041]
图10为本发明经典控制与现代控制结合的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
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。
[0044]
从控制思想出发，现有控制方法，一种是“基于误差来消除误差”的控制策略，一种是“基于内部机理描述的控制方法”的控制策略，鉴于上述两种控制策略的优点，本发明将两种具有不同控制策略的方法相结合以达到更优的控制效果。
[0045]
由于经典控制思路与现代控制思路相互独立且各不影响，故本发明将经典控制思路与现代控制思路相结合，内环为现代控制思想，外环为经典控制思想，从而高效实现控制。
[0046]
经典控制方法(常见经典控制方法有pid控制方法、自抗扰控制方法等)如图1所示，其理论基础为频率法和根轨迹法，通过消除输入与输出的误差来达到控制的效果。经典控制方法只关心系统的输入与输出，与系统运行的内部状态无关。其中，经典控制器的主要作用为消除误差，v0为输入量，y为输出量，e为输入与输出的误差，u为控制量。
[0047]
现代控制方法(常见现代控制方法有滑模控制法、lqr控制法、显模型法、隐模型法等)如图2所示，其理论基础为状态空间法，与系统运行的内部状态息息相关，现在控制器将其内部调整为期望的动态特性，从而实现稳定控制的目的。现在控制器的主要作用为将对象调整为期望的动态特性，v0为输入量，u为控制量，y为输出量。
[0048]
两种控制方法结合是相互独立的过程，互不影响，若按照图3和图4所示的组合方式则不合理，经典控制器会影响到现代控制器的动态特性调整，则两种方法存在耦合，达不到好的控制效果。其中，v0为输入量，ue为经典控制量，u
x
为现代控制量，u为总的控制量，y为输出量，e为输入与输出的误差。
[0049]
鉴于此，本发明提供了一种新的经典控制与现代控制结合的控制器。
[0050]
实施例一
[0051]
本实施例提供了一种经典控制与现代控制结合的控制器，如图5所示，包括：内环结构和外环结构。
[0052]
所述内环结构的控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略。
[0053]
所述外环结构的控制策略为基于误差来消除误差的控制策略。
[0054]
其中，所述外环结构包括：
[0055]
误差计算单元，用于根据输入的被控制量和输出反馈量计算误差值。
[0056]
经典控制器，用于基于外环控制策略，将所述误差值转换为经典控制量；所述外环控制策略为基于误差来消除误差的控制策略。
[0057]
所述内环结构，用于根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量；所述被控对象控制量为所述被控对象的输入，所述输出反馈量为所述被控对象的输出；所述内环控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略。
[0058]
进一步地，所述内环结构至少包括：
[0059]
现代控制器，与所述被控对象并联连接，用于：
[0060]
基于所述内环控制策略和所述被控对象的内部状态信息，确定现代控制量；基于所述经典控制量和所述现代控制量确定被控对象控制量。
[0061]
优选地，所述经典控制器为pid控制器或者自抗扰控制器；所述现代控制器为滑模控制器、lqr控制器、显模型控制器或者隐模型控制器。
[0062]
经典控制与现代控制结合的控制器的设计步骤如下：
[0063]
(1)被控制量v0与输出反馈量y得到误差e；
[0064]
(2)误差e经过经典控制器转换为经典控制量ue；
[0065]
(3)现代控制器对被控对象的动态特性进行调整得到现代控制量u
x
；
[0066]
(4)经典控制量ue与现代控制量u
x
相加得到总得控制量u；
[0067]
(5)总得控制量u作为被控对象的输入，得到输出反馈量y；
[0068]
(6)重复(1)-(5)，直到输出反馈量y与被控制量v0相同为止，则被控对象达到期望的响应值。
[0069]
本实施例所述的经典控制与现代控制结合的控制器应用于多输入多输出的直升机模型中，所述被控制量为总距杆制动量、周期变距杆制动量和脚踏板制动量；所述输出反馈量为偏航角速度、滚转角速率和俯仰角速率，具体如下所示：
[0070]
现代控制器采用的是隐模型控制器，经典控制器采用的是pid控制器。其中，隐模型控制器的结构如图6所示，pid控制器与隐模型控制器结合后的控制器如图7所示。
[0071]
其中，在图6中，输入表示为总距、横向周期变距、纵向周期变距、尾桨距的控制变化量。a、b分别为直升机系统状态方程中的动力学状态矩阵、控制矩阵。k为状态反馈矩阵，h为前馈补偿矩阵。图7为在图6的基础上外环加入pid控制器。
[0072]
如图8所示，可以看出，经典控制方法和现代控制方法结合，响应速度更快。如图9所示，可以看出，经典控制方法和现代控制方法结合后，对模型误差不敏感。其中，图8和图9的横坐标均为时间。
[0073]
实施例二
[0074]
如图10所示，本实施例提供的一种经典控制与现代控制结合的控制方法，包括：
[0075]
步骤100：根据输入的被控制量和输出反馈量计算误差值；
[0076]
步骤200：基于外环控制策略，将所述误差值转换为经典控制量；所述外环控制策略为基于误差来消除误差的控制策略；
[0077]
步骤300：根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量；所述被控对象控制量为所述被控对象的输入，所述输出反馈量为所述被控对象的输出；所述内环控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略。
[0078]
进一步地，步骤300具体包括：
[0079]
基于所述内环控制策略和所述被控对象的内部状态信息，确定现代控制量；基于所述经典控制量和所述现代控制量确定被控对象控制量。
[0080]
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。
[0081]
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：

1.一种经典控制与现代控制结合的控制器，其特征在于，包括：内环结构和外环结构；所述内环结构的控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略；所述外环结构的控制策略为基于误差来消除误差的控制策略。2.根据权利要求1所述的一种经典控制与现代控制结合的控制器，其特征在于，所述外环结构包括：误差计算单元，用于根据输入的被控制量和输出反馈量计算误差值；经典控制器，用于基于外环控制策略，将所述误差值转换为经典控制量；所述外环控制策略为基于误差来消除误差的控制策略；所述内环结构，用于根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量；所述被控对象控制量为所述被控对象的输入，所述输出反馈量为所述被控对象的输出；所述内环控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略。3.根据权利要求2所述的一种经典控制与现代控制结合的控制器，其特征在于，所述内环结构至少包括：现代控制器，与所述被控对象并联连接，用于：基于所述内环控制策略和所述被控对象的内部状态信息，确定现代控制量；基于所述经典控制量和所述现代控制量确定被控对象控制量。4.根据权利要求2所述的一种经典控制与现代控制结合的控制器，其特征在于，所述经典控制器为pid控制器或者自抗扰控制器。5.根据权利要求3所述的一种经典控制与现代控制结合的控制器，其特征在于，所述现代控制器为滑模控制器、lqr控制器、显模型控制器或者隐模型控制器。6.根据权利要求2所述的一种经典控制与现代控制结合的控制器，其特征在于，所述经典控制与现代控制结合的控制器应用于多输入多输出的直升机模型中，所述被控制量为总距杆制动量、周期变距杆制动量和脚踏板制动量；所述输出反馈量为偏航角速度、滚转角速率和俯仰角速率。7.一种经典控制与现代控制结合的控制方法，其特征在于，包括：根据输入的被控制量和输出反馈量计算误差值；基于外环控制策略，将所述误差值转换为经典控制量；所述外环控制策略为基于误差来消除误差的控制策略；根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量；所述被控对象控制量为所述被控对象的输入，所述输出反馈量为所述被控对象的输出；所述内环控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略。8.根据权利要求7所述的一种经典控制与现代控制结合的控制方法，其特征在于，所述根据所述经典控制量和内环控制策略，确定被控对象控制量，具体包括：基于所述内环控制策略和所述被控对象的内部状态信息，确定现代控制量；基于所述经典控制量和所述现代控制量确定被控对象控制量。

技术总结

本发明公开了一种经典控制与现代控制结合的控制器及控制方法，涉及自动化控制技术领域，该控制器包括：内环结构和外环结构；所述内环结构的控制策略为基于内部机理描述的控制方法的控制策略；所述外环结构的控制策略为基于误差来消除误差的控制策略。本发明将经典控制与现代控制结合，大幅度提高响应速度，同时保留了经典控制优点，对模型误差不敏感。对模型误差不敏感。对模型误差不敏感。