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专利号: 2024109332773
申请人: 南通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-11-13
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种非最小相位系统抗扰控制器设计和参数选取方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1:首先,考虑一种非最小相位系统,实际被控对象在稳态工作点处线性化为如下P(s)形式:其中,a是一个正常数系数,nr(s)是系统的分子多项式,dr(s)是系统的分母多项式;

步骤S2:设计一种广义Smith预估器结构并优化其参数;

所述步骤S2包括以下步骤:

步骤S2.1:所述广义Smith预估器结构包括一个最小相位模型 和一个全通滤波器APF(s), 的输入信号为控制输入u(s),输出信号为最小相位输出 具体形式如下:

其中,是一个正常数系数a的估计值, 是系统的分子多项式nr(s)的估计值,是系统的分母多项式dr(s)的估计值;

所述全通滤波器APF(s)的输入信号为最小相位模型的输出信号 输出信号为y(s)的估计值 具体形式如下:步骤S2.2:Smith预估器参数选取,将所述广义Smith预估器结构等效为二自由度等效结构,在该结构中,Peq(s)为等效被控对象,Peq(s)的输入信号为控制信号u(s),输出经过等效处理后的信号Y(s),其中,Q(s)为补偿器,输入信号为Y(s),输出补偿后的信号y(s),具体形式如下:其中,H(s)为后置滤波器;

步骤S2.3:选取合适参数集,首先将最小相位模型 和全通滤波器APF(s)的m个不q确定性参数在其取值范围内均匀分为q等份,则共有m 个候选Smith预估模型和被控对象模型,选取其中一个Smith预估模型参数检验其是否在期望带宽频率BW内对于任意的被控对象Qi都有N(s)幅值小于md,即:其中,Qj为第j个被控对象模型,P为被控对象模型集合,若选取的Smith预估模型参数满足是否在期望带宽频率BW内对于任意的被控对象Qi都有N(jω)取对数的绝对值小于md这一条件,则作为合适参数;

步骤S2.4:选取最优参数,根据步骤S2.1的选取方法得到一个合适参数集合,步骤S2.3将在集合中选取最优参数,在满足步骤S2.2中Smith预估模型集合的基础上,选取性能指标I值最小的一组参数作为Smith预估模型参数,性能指标I设计为如下形式:式中:D(jω)为被控对象模板,Deq(jω)为等效被控对象模板,C(·)为模板在Nichols图中面积,M(ω)为各研究频率权重,Ω为研究频率集合,n为研究频率个数;

步骤S3:设计一种定量反馈抗扰控制器,控制器结构根据二阶自抗扰控制器来确定,包括反馈控制器和前置滤波器,其中,反馈控制器G(s)的输入信号为参考输入信号r(s)与预估值ysp(s)的误差,输出信号为u(s),具体如下:其中,l1,l2,β1,β2,β3,b0是需要进行寻优的控制器参数; 为输出信号y(s)的估计值; 为最小相位模型的输出信号;

前置滤波器的输入信号为参考输入信号r(s),输出信号包括平滑后的信号v1(t)和该信号的微分v2(t);

其中, l1,l2,β1,β2,β3,b0,a0是需要进行寻优的控制器参数;

步骤S4:引入一种改进的自适应多目标灰狼算法EMOGWO对步骤S3中反馈控制器G(s)以及前置滤波器F(s)的参数进行寻优;

步骤S5:将搜索得到的最优结果赋值给抗扰控制器的参数,并在时域上进行仿真验证,判断系统是否满足稳定性要求,若满足则一种非最小相位系统的抗扰控制器设计完成,若不满足则返回步骤S4搜索更优秀的参数。

2.根据权利要求1所述的非最小相位系统抗扰控制器设计和参数选取方法,其特征在于,所述步骤S4包括以下步骤:步骤S4.1:选用系统开环增益的平方、鲁棒稳定性、跟踪性能以及抗扰性能作为目标函数,具体如下:2

f1(x)=kg    (11)

f2(x)=stamin+rmin+dmin       (12)其中kg是系统的开环增益;stamin为鲁棒稳定性约束的最小值;rmin为跟踪性能约束的最小值;dmin为抗扰性能约束的最小值;

步骤S4.2:引入非线性调整策略,使得参数根据当前迭代次数进行动态调整,提高算法的全局搜索能力和适应性,具体如下:其中,aini为初始值,t为当前迭代次数,T为控制参数;

步骤S4.3:为了避免种群早熟收敛,在更新个体位置时引入拥挤距离排序以维护种群多样性,具体如下:其中,d(i)为个体i的拥挤距离,M为目标数量, 和 分别为个体i在目标m上的前后邻居目标值, 和 分别为目标m的最大和最小值;

步骤S4.4:在选择头狼α、β、δ时,引入自适应选择策略,使得个体的选择概率根据其适应度动态调整,具体如下:其中,Pi为选择个体i为领导者的概率,Ri为个体i的适应度,Rmean为种群平均适应度,k为调整参数。