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专利号: 2024119787597
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-25
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于高阶低通滤波器的主动抗干扰方法,应用于运动控制系统,其特征在于,所述基于高阶低通滤波器的主动抗干扰方法,包括:根据运动控制系统的状态空间模型获取系统扰动,提取系统扰动中的匹配扰动,并将匹配扰动分解为可微部分和有界部分;

将可微部分作为扩张状态,利用扩张状态对系统状态进行扩张操作,并基于扩张后的系统状态重构状态空间模型,得到扩张状态空间模型;

根据运动控制系统的扩张状态空间模型,建立基于高阶低通滤波器的扩张状态观测器,包括高阶低通滤波器、扩张状态观测器和输出反馈控制器;

给定运动控制系统的参考输入,通过内模系统得到内模状态,利用基于高阶低通滤波器的扩张状态观测器,根据内模状态得到扩张状态空间模型的控制输入,并由扩张状态空间模型得到运动控制系统的输出;

其中,所述将匹配扰动分解为可微部分和有界部分,包括:;

式中, 为 时刻的匹配扰动, 为匹配扰动 的近似项,表示匹配扰动的可微部分, 为匹配扰动 的剩余项,表示匹配扰动的有界部分;

其中,所述高阶低通滤波器,表示如下:

式中, 为 时刻滤波器第 阶的状态, ,为滤波器阶数, 为 的导数, 为 时刻滤波器第 阶的状态, 为 的导数, 为扩张状态观测器的带宽,为高阶低通滤波器的增益, 为 时刻运动控制系统的输出, 为由扩张状态观测器估计得到的 值, 表示 时刻扩张后的系统状态中运动控制系统的位置, 为高阶低通滤波器的输出;

其中,所述扩张状态观测器,表示如下:

式中, 为扩张后的系统状态的估计值, 为运动控制系统的位置的估计值, 为运动控制系统的速度的估计值, 为扩张状态的估计值, 为扩张状态观测器的增益,设计如下:;

式中,参数 , 为高扩张状态观测器的带宽, 为常数矩阵且;

其中,所述输出反馈控制器,表示如下:

利用内模原理,设计输出反馈控制器如下:

式中, 为 时刻输出反馈控制器的输出,即 时刻运动控制系统的控制输入, 表示中间参数, 均为反馈增益, 为内模状态:;

式中, 为 的导数, 和 分别为内模系统矩阵和输入矩阵, 表示运动控制系统的参考输入。

2.根据权利要求1所述的基于高阶低通滤波器的主动抗干扰方法,其特征在于,所述根据运动控制系统的状态空间模型获取系统扰动,提取系统扰动中的匹配扰动,包括:建立运动控制系统的状态空间模型,公式如下:;

式中, 为 时刻运动控制系统的状态, 为 的导数, 为 时刻运动控制系统的控制输入, 为 时刻外部扰动, 为 时刻运动控制系统的输出, 为 时刻运动控制系统的测量噪声, 为系统矩阵, 为输入矩阵, 为输出矩阵, 为扰动输入矩阵,具体形式如下:;

式中, 、 、 为常数,取 、 、 为 、 、的标称值,则运动控制系统的状态空间模型改写为以下形式:;

式中, , 为系统矩阵的标称值, 为输入矩阵的标称值;

取 时刻的系统扰动为 ,其中 为 时刻的不匹配扰动, 为 时刻的匹配扰动,设定不匹配扰动 ,则得到匹配扰动 ,表示 时刻运行控制系统的位置, 表示 时刻运行控制系统的速度。

3.根据权利要求1所述的基于高阶低通滤波器的主动抗干扰方法,其特征在于,所述将可微部分作为扩张状态,利用扩张状态对系统状态进行扩张操作,并基于扩张后的系统状态重构状态空间模型,得到扩张状态空间模型,包括:将 时刻匹配扰动的可微部分 作为 时刻的扩张状态,则系统状态扩张为, 表示 时刻扩张后的系统状态, 表示时刻运动控制系统的状态 的转置, 表示扩张后的系统状态 中运动控制系统的位置, 表示扩张后的系统状态 中运动控制系统的速度;

则得到运动控制系统的扩张状态空间模型如下:;

式中, 为 的导数, 为 时刻运动控制系统的控制输入, 为 时刻运动控制系统的输出, 为 时刻运动控制系统的测量噪声, 为扩张状态空间模型中的系统矩阵, 为扩张状态空间模型中的输入矩阵, 为扩张状态空间模型中的输出矩阵, 为中间参数,具体形式如下:;

式中, 为状态空间模型中常数 的标称值, 为状态空间模型中常数 的标称值,为状态空间模型中常数 的标称值, 表示匹配扰动的有界部分, 表示匹配扰动的可微部分的导数。

4.一种基于高阶低通滤波器的主动抗干扰系统,其特征在于,所述基于高阶低通滤波器的主动抗干扰系统,包括扰动分解模块、状态扩张模块、观测器设计模块和输出模块,其中:所述扰动分解模块,被配置为:根据运动控制系统的状态空间模型获取系统扰动,提取系统扰动中的匹配扰动,并将匹配扰动分解为可微部分和有界部分;

所述状态扩张模块,被配置为:将可微部分作为扩张状态,利用扩张状态对系统状态进行扩张操作,并基于扩张后的系统状态重构状态空间模型,得到扩张状态空间模型;

所述观测器设计模块,被配置为:根据运动控制系统的扩张状态空间模型,建立基于高阶低通滤波器的扩张状态观测器,包括高阶低通滤波器、扩张状态观测器和输出反馈控制器;

所述输出模块,被配置为:给定运动控制系统的参考输入,通过内模系统得到内模状态,利用基于高阶低通滤波器的扩张状态观测器,根据内模状态得到扩张状态空间模型的控制输入,并由扩张状态空间模型得到运动控制系统的输出;

其中,所述将匹配扰动分解为可微部分和有界部分,包括:;

式中, 为 时刻的匹配扰动, 为匹配扰动 的近似项,表示匹配扰动的可微部分, 为匹配扰动 的剩余项,表示匹配扰动的有界部分;

其中,所述高阶低通滤波器,表示如下:

式中, 为 时刻滤波器第 阶的状态, ,为滤波器阶数, 为 的导数, 为 时刻滤波器第 阶的状态, 为 的导数, 为扩张状态观测器的带宽,为高阶低通滤波器的增益, 为 时刻运动控制系统的输出, 为由扩张状态观测器估计得到的 值, 表示 时刻扩张后的系统状态中运动控制系统的位置, 为高阶低通滤波器的输出;

其中,所述扩张状态观测器,表示如下:

式中, 为扩张后的系统状态的估计值, 为运动控制系统的位置的估计值, 为运动控制系统的速度的估计值, 为扩张状态的估计值, 为扩张状态观测器的增益,设计如下:;

式中,参数 , 为高扩张状态观测器的带宽, 为常数矩阵且;

其中,所述输出反馈控制器,表示如下:

利用内模原理,设计输出反馈控制器如下:

式中, 为 时刻输出反馈控制器的输出,即 时刻运动控制系统的控制输入, 表示中间参数, 均为反馈增益, 为内模状态:;

式中, 为 的导数, 和 分别为内模系统矩阵和输入矩阵, 表示运动控制系统的参考输入。

5.一种基于高阶低通滤波器的主动抗干扰装置,包括处理器以及存储有若干计算机指令的存储器,其特征在于,所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至权利要求3中任意一项所述基于高阶低通滤波器的主动抗干扰方法的步骤。