面向高精度性能需求的干扰观测补偿控制理论及典型应用研究(20131023东大)

1面向高精度性能需求的干扰观测补偿控制理论及典型应用研究李世华博士,教授,博导，IEEE高级会员东南大学自动化学院2013.10.23致敬韩京清先生(1937~2008)Outlines•科研情况背景介绍•扰动估计技术•基于扰动观测的控制方法典型应用设计案例•存在问题以及一些新的结果解法一：从反馈控制角度提高抗干扰性能解法二：从干扰建模估计和前馈补偿角度提高抗干扰性能高精度控制系统的关键控制技术-抗干扰控制方法过程控制领域(磨矿分级过程)矿石粒度、硬度的变化运动控制领域(永磁同步电机)负载转矩、非线性摩擦航空航天领域(飞行器制导控制)外风、气动及地磁干扰力矩科研情况：背景和思路•介于以PID为代表的指数渐近稳定控制方法和抗干扰能力强的滑模控制方法之间的一个新兴分支。•指数(光滑)渐近稳定控制xu=()(0)ktxtxe−=,0ukxk=−•非连续滑模控制()uksignx=−有限时间到零控制量不连续抗干扰最强•非光滑有限时间控制1/31/*(),(0,1)()ukxksignxxdxkααα=−−∈⎛⎞∞∝⎜⎟⎝⎠或(1)非光滑/有限时间反馈控制有限时间到零控制量非光滑抗干扰强无限时间到零控制量光滑抗干扰弱非光滑/有限时间反馈控制B1.李世华,丁世宏,都海波,钱春江,非光滑控制理论与应用,科学出版社,2013.1,238页高精度控制系统的关键控制技术-抗扰动控制方法(2)干扰估计和前馈补偿控制2(2)干扰估计和前馈补偿控制方法优势：有了对干扰的补偿作用,系统的模型更加“干净”或者“理想”,有利于非线性反馈控制发挥其闭环调节能力,有效抑制外部干扰,能够取得高性能的控制结果控制思想：采用干扰观测技术得到干扰估计,动态实时地获取干扰信息；与成熟的反馈控制技术结合,形成基于干扰观测补偿的复合控制开环控制：稳定无干扰系统反馈控制：不稳定受扰系统前馈控制：干扰可测量系统Motivation122dxxxu==+&&，111ˆdpdxkxkxd++=−()ˆsksigndsd=−+−ˆ()()feedbackxtudu−=12111()()pddpuxkxkxxkxkxdt=−−⇒++=d:集总扰动(lumpeddisturbances)，包括摩擦,未建模动态,参数时变不确定，负载扰动,…Motivation：Disturbanceestimation,thenfeedforwardcompensationdesign,andcombiningitwithfeedbackcontrol解法1:连续反馈控制221()()()()uxcxksignxcxsksignsdt=−−+⇒=−+解法2:非连续反馈控制问题:这些方法通过反馈调节抑制扰动(这通常是一种慢的方式).没有特别针对扰动的考虑和设计!优点:强抗扰动能力.在设计时就考虑了扰动!缺点:非连续反馈引起的抖颤。解法3：干扰不变性原理)()(feedbackuxdtu−=1111()dpIxkxkxkxdt+++=∫复杂动态系统抗干扰控制研究现状•10年开始CCC设“自抗扰控制理论及应用”专场讨论，由美国克利夫兰州立大学高志强教授组织•11，12年CCC设“自抗扰控制理论及应用”和“时域DOBC理论及应用”两个讨论专场，分别由美国克利夫兰州立大学高志强教授和北航郭雷教授组织，13年的纪念韩京清教授专场。•应用推广情况频域的扰动观测器(DisturbanceObserver))(sG)()(1sGsQn−++−)(sU)(sY)(sDex)(sDf∧−)(sQ++)(sC)()()()()(sDsGsCsGsYdycy+=)()]()([)()()()(sQsGsGsGsGsGsGnnncy−+=)()]()([)()](1)[()()(sQsGsGsGsQsGsGsGnnndy−+−=0)(),()(1)(→→⇒→sGsGsGsQdycyOhnishi,K.,etal.,Microprocessor-controlledDCmotorforload-insensitivepositionservosystem.IEEETrans.IndustrialElectronics,1987,31(1):44–49.时域DOB⎩⎨⎧=++=CxydBuBAxxdu&⎪⎩⎪⎨⎧+=+−+−=LxpduBAxLLxpLBpudˆ)()(&DisturbanceEstimationSystemModelEstimationAnalysis⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧−−=−++++−−=−+=−=−=deLBddBuBAxLuBAxLdLBdxLpddeddeddduuddd&&&&&&&&)()(ˆˆˆ线性/非线性的扩展状态观测器(ExtendedStateObserver)DisturbanceEstimationSystemModelEstimationAnalysis121223231111()(,,)nnnnfxxxxxxxxxxbuxfxbuxyxxddyx++=⎧=⎧⎪=⎪⎪=⎪⎪⎪⎪⇒⎨⎨=+⎪⎪=+⎪⎪==⎪⎪⎩=⎪⎩&&&&&MM&&&⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧−−=+−−=−−=−−=+++)()()()(1111112321121yzzbuyzzzyzzzyzzznnnnnββββ&&M&&⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+−=−=−=−=+++feeeeeeeeeeennnnn&&&M&&1111112321121ββββ韩京清,一类不确定对象的扩张状态观测器.控制与决策，1995J.Q.Han,FromPIDtoactivedisturbancerejectioncontrol,IEEETrans.IndustrialElectronics,2009韩京清著，自抗扰控制技术，国防工业出版社，2008思想:将系统看成是一个线性系统带扰动而不是非线性系统!3非线性DOB⎩⎨⎧=++=)()()()(21xhydxguxgxfx&[]⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂=+=++−−=xxpxlxpzduxgxfxpxgxlzxgxlz)()()(ˆ)()()()()()()(122&DisturbanceEstimationSystemModelEstimationAnalysis⎪⎩⎪⎨⎧−∂∂−=−=dexgxxpeddeddd&&)()(ˆ2W.-H.Chen,“Disturbanceobserverbasedcontrolfornonlinearsystems,”IEEE/ASMETrans.Mechatronics,vol.9,no.4,pp.706–710,Dec.2004应用:基于ESO/DOB的PMSM控制系统设计//0///0///ddddnqnnfqqqtLiiuLRLpipRLpLiuLKJBJTJωωψωω⎛⎞⎛⎞⎛⎞−⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟=−−−×+⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟−−⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎝⎠idandiqd-axisandq-axisstatorcurrents,udanduqd-axisandq-axisstatorvoltages,pnnumberofpolepairs,Rstatorresistance,Lstatorinductance,ψfthefluxlinkage,Kttorqueconstant,ωangularvelocity,Bviscousfrictioncoefficient,JmomentofinertiaTLloadtorque.应用:基于ESO/DOB的PMSM控制系统设计ω∗0u1z2z0b01/bukqi∗qi∗wω已经应用于公司的伺服驱动器产品中应用:基于ESO/DOB的PMSM控制系统设计ExperimentalComparisonbetweenP+DOBwithPI(startingwithload)应用:基于ESO/DOB的PMSM控制系统设计ExperimentalComparisonbetweenP+DOBwithPI(suddenload)应用:基于ESO/DOB的PMSM控制系统设计*ω*qi*0di=quduωuαuβqidiiαiβaibiθˆJ0bΔ0bΔˆJω∗0u1z2z0b′01/b′ukqi∗wωqi∗考虑惯量大范围变化的应用场合，如卷线机，携带变化负载的机械臂,带不同焊枪的焊接机器人,…李世华,刘志刚,Adaptivespeedcontrolforpermanentmagnetsynchronousmotorsystemwithvariationsofloadinertia,IEEETrans.IndustrialElectronics,20094应用:基于ESO的电流环控制设计++−−pfnJψpfJnψ2z0u*qui=pk++−−1/LL12z0quqk李世华,夏存见,周旋.DisturbanceRejectionControlMethodforPermanentMagnetSynchronousMotorSpeed-regulationSystem,Mechatronics,2012//0///0///ddddnqnnfqqqtLiiuLRLpipRLpLiuLKJBJTJωωψωω⎛⎞⎛⎞⎛⎞−⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟=−−−×+⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟−−⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎝⎠带载启动对比图超调过渡/%/ms速度环自抗扰8.5101114156电流环自抗扰6.2598112140上升2/ms上升1/ms超调过渡/%/ms速度环自抗扰4.025210237223电流环自抗扰2.95201226213上升2/ms上升1/ms带载稳态对比图波动/rpm速度环自抗扰2.8750.571.0428电流环自抗扰2.3750.470.9545标准差波动率/%波动/rpm速度环自抗扰3.750.371.4395电流环自抗扰2.6250.261.0702标准差波动率/%抗扰动对比图下降上升/rpm/rpm速度环自抗扰179.5电流环自抗扰12.757下降上升/rpm/rpm速度环自抗扰209.7电流环自抗扰13.255.5永磁同步电机摩擦补偿框图ˆdiθ∗0di∗=ˆFˆddiqiiαiβaibiquduuβuα1pfnψpfnψˆFi*qi应用:基于摩擦和扰动补偿的PMSM控制设计应用：基于DOB的球磨机回路控制)(11sP−+)(21sP)(22sP)(12sP+−++++)(1sDex)(2sDex)(1sH)(1sH++)(1sYr)(2sYr)(1sY)(2sY)(1sU)(2sU)(sDex)(1sDc)(2sDc陈夕松,杨俊,李世华,李奇,Disturbanceobserverbasedmulti-variablecontrolofballmillgrindingcircuits,JournalofProcessControl,19(7),2009,1205-1213.5应用：基于DOB的球磨机回路控制)(11sP)(21sP)(22sP)(12sP++++)(11sH)(22sH++)(2sU)(sDoh)(1sY)(2sY)(1sU)(1sDex)(2sDex)(12sH)(21sH)(sDfps++++)(1sYr)(2sYr杨俊,李世华,陈夕松,李奇,DisturbancerejectionofballmillgrindingcircuitsusingDOBandMPC,PowderTechnology,198(2),2010,219-228.++−)(sDex−++)()(1sgsQn−)(sC)(sY)(sUsnesQθ−)(sesgθ−)(snnesgθ−)()(ˆsDf)(sR)(2sGd)(2sD)(1sGd)(1sD++)(sYp杨俊，李世华，陈夕松，李奇,Disturbancerejectionofdead-timeprocessesusingdisturbanceobserverandmodelpredictivecontrol,Chemica