Например, Бобцов

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ВЫХОДУ С КОМПЕНСАЦИЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ОБЪЕКТА С ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ И СТРУКТУРНЫМИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЯМИ

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ВЫХОДУ С КОМПЕНСАЦИЕЙ …

УДК 681.51.015
АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ВЫХОДУ С КОМПЕНСАЦИЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ОБЪЕКТА С ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ И СТРУКТУРНЫМИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЯМИ2
А.А. Бобцов, С.А. Колюбин, А.А. Пыркин

Рассматривается задача стабилизации по выходу линейного объекта, подверженного влиянию внешнего неизвестно-
го синусоидального возмущения. Решение задачи получено для класса линейных систем, функционирующих в условиях параметрической и структурной неопределенностей. Ключевые слова: управление по выходу, компенсация возмущений, параметрическая и структурная неопределенность.

Введение

Компенсация синусоидальных возмущающих воздействий является актуальной и популярной задачей современной теории управления (например, [1–15]). Большинство исследований, связанных с разработкой методов компенсации гармонических возмущений, изучают случай, когда амплитуды, фазы и частоты являются неизвестными постоянными параметрами (например, [1–14]). В частности, работы [3, 4] являются одними из первых работ отечественных ученых, где была поставлена и решена задача адаптивной компенсации неизвестных гармонических возмущений. В настоящее время при различных допущениях относительно модели объекта рассматриваются различные случаи задач управления, а именно: линейность или нелинейность динамики, параметрическая определенность или ее отсутствие, доступность измерений всех переменных состояния или только их части и пр. Несмотря на то, что в фундаментальной монографии [2], посвященной методам компенсации возмущений, большинство подходов было изложено, кратко рассмотрим некоторые новые результаты.
В [5] предлагается алгоритм управления линейным устойчивым объектом с известными параметрами и единичной относительной степенью, подверженным влиянию смещенного гармонического возмущения. В отличие от [5], в [8] рассмотрен алгоритм компенсации возмущающего воздействия для случая неминимально фазового линейного объекта с известными параметрами, но любой относительной степени. Работы [9, 10, 14] посвящены парированию синусоидального возмущения в условиях полной параметрической неопределенности объекта управления. Выстроен адаптивный регулятор, базирующийся только на измерениях выходной переменной. В [9, 10] рассмотрен линейный объект, а в [14] – нелинейный. Однако в [9, 10, 14] допускается, что относительная степень известна и равна единице. В [12, 13] данная задача распространена на линейные объекты с известными параметрами, но с запаздыванием в канале управления.
В настоящей работе предлагается новый алгоритм управления по выходу параметрически неопределенным линейным объектом, подверженным влиянию гармонического возмущения
δ(t)  μ sin(ωt  ) с неизвестными амплитудой и фазой. Данный подход основан на методе операторного
синтеза компенсации возмущения, который был опубликован в [15]. По мнению авторов, несмотря на то, что частота ω известна, решаемая в этой работе задача развивает подходы, опубликованные в [1–15],
поскольку допускается, что относительная степень объекта, как и его параметры, может быть неизвестна.

Постановка задачи

Рассмотрим линейный объект управления вида a( p)y(t)  b( p)u(t)  c( p)δ(t) ,

(1)

где p  d / dt – оператор дифференцирования; параметры полиномов

a( p)  pn  an1 pn1  an2 pn2  ...  a0 ,

b( p)  bm pm  bm1 pm1  bm2 pm2  ...  b0

и

c( p)  cl pl  cl1 pl1  ll2 pl2  ...  c0 неизвестные числа, а (t)  sin(t  ) – возмущающее воздействие с неизвестными амплитудой μ и фазой  .

Цель управления – найти такой сигнал u  u( y) , чтобы было выполнено целевое условие

lim y(t)  0 .
t 
Данную задачу будем решать при следующих допущениях.

(2)

Допущение 1. Полином b( p) гурвицев, и коэффициент b0  0 .

Допущение 2. Известно максимальное значение относительной степени r * , но не размерности по-

линомов a( p) и b( p) , и сама относительная степень r  n  m .

2 Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (государственный контракт № 16.740.11.0553).
68 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 3 (79)

А.А. Бобцов, С.А. Колюбин, А.А. Пыркин

Допущение 3. Известна частота ω возмущения (t)  sin(t  ) .

Предварительный результат

Следуя [15], представим уравнение (1) в виде

Y (s)  b(s) U (s)  c(s) (s)  D(s) ,

a(s) a(s)

a(s)

(3)

где s – комплексная переменная Лапласа; Y (s)  L{y(t)} , U (s)  L{u(t)} и (s)  L{(t)}  1s  2 – s2  2
изображения по Лапласу соответствующих сигналов, 1  sin  и 2   cos ; полином D(s) обозначает сумму всех членов, содержащих начальные условия.
Временно предположим, что измеряются все необходимые производные выходного сигнала y(t) ,
а коэффициенты полиномов a( p) и b( p) известны. Предполагая, что относительная степень r известна,
выберем закон управления u(t) следующим образом:

u(t)  k ( p)( p 1)2 y(t) , p2  2

(4)

где гурвицев полином ( p) степени r *1 и постоянный коэффициент k  0 выбираются из соображе-

ний строгой вещественной положительности передаточной функции (например, [16, 17]):

H (s)



a(s)(s2

b(s)(s)(s 1)2  ω2 )  kb(s)(s)(s 1)2

.

Замечание 1. В [16, 17] было показано, что для любого гурвицева полинома ( p) существует в

общем случае достаточно большой постоянный коэффициент k  0 такой, что передаточная функция H (s) удовлетворяет условиям строгой вещественной положительности. Для известных коэффициентов

полиномов a( p) и b( p) поиск коэффициента k  0 является несложной задачей.

Тогда, подставляя изображение по Лапласу для (4) в уравнение (3), получаем

Y

(s)



k

b(s)(s)(s a(s)(s2 

1)2 ω2 )

Y

(s)



c(s) a(s)

μ1s  μ2 (s2  ω2 )



D(s) a(s)

и

Y (s)



(μ1s



μ1 )

c(s) γ(s)



D(s)(s2  γ(s)

ω2

)

,

где полином γ(s)  a(s)(s2  ω2 )  kb(s)(s)(s 1)2 – гурвицев в силу строгой вещественной положитель-

ности передаточной функции H (s) .

Осуществляя обратное преобразование Лапласа для Y (s) , имеем

lim y(t)  0 .
t 

Основной результат

Однако производные выходного сигнала y(t) не измеряются, а коэффициенты полиномов a( p) и

b( p) неизвестны. В этом случае воспользуемся результатами, опубликованными в [14, 15] и выберем

закон управления следующим образом:

u(t)



k

( (

p)( p 1)2 (T2 p2  2 )(T1 p

p 1)  1)

1 (t )

,

(5)

1  2 , 2  3 , ...

(6)

r1  (k11  k22  ...  kr1r1  k1 y),

где число k  0 и полином ( p) выбираются аналогично (4), число   k , а коэффициенты ki рассчи-

тываются из требований асимптотической устойчивости системы (6) при нулевом входе y(t) ,   r *r0 ,

параметр T11 должен быть больше коэффициента k и много меньше  , параметр T2 такой, что

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 3 (79)

69

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ВЫХОДУ С КОМПЕНСАЦИЕЙ …

0  T21  T11 , число r0 соответствует известному минимальному значению относительной степени:
0  r0  r  r * .
Замечание 2. Очевидно, что в условиях полной параметрической неопределенности выбор T11 , k и  может вызывать некоторые сложности, поэтому рассмотрим более конструктивное правило расчета этих коэффициентов. Как показано в [17], можно настраивать коэффициент k по линейному закону до тех пор, пока переменная y(t) не попадет в некоторую малую область, заданную разработчиком систе-

мы. Параметры T11 и  можно рассчитывать следующим образом: T11  k 2 и   0 (T11)2 . Очевидно, что при таком расчете коэффициентов регулятора система может быть неустойчивой, но данная схема

обеспечивает сходимость выходной переменной y(t) в некоторую малую область, заданную разработчи-

ком системы. Подставляя (5) в (1), получаем

y(t)



a(

p)(

p2



kb( p)( p)( p 1)2 (T2 2 )(T1 p 1)  kb( p)(

p 1) p)( p 1)2 (T2

p

 1)

(t)





a(

p)(

p2



2

b( p)( p2 )(T1 p 1)

 

2 )(T1 p 1) kb( p)( p)( p

1)2 (T2

p

1)

(t)

,

где (t)  y(t)  1(t) .

Запишем (7) следующим образом:

(7)

y(t)



a(

p)(

p2



kb( p)( p)( p 1)2 (T2 2 )(T1 p 1)  kb( p)(

p 1) p)( p 1)2 (T2

p

 1)

[(t)



w(t)]

,

(8)

где сигнал

w(t) 

( p2  2 )(T1 p 1) k( p)( p 1)2 (T2 p 1)

(t) .

Модель близкая к (8), рассматривалась в [18, 19], поэтому воспользуемся результатами [18, 19] и

перейдем к форме вход–состояние–выход вида

x  Ax  kb(  w) ,

(9)

y  cT x ,

(10)

где x  Rn – вектор переменных состояния модели (9), (10); A , b и c – матрицы перехода от модели
вход-выход к модели вход-состояние-выход, причем в силу известной леммы Якубовича-Калмана (например, [16]) можно указать симметрическую положительно определенную матрицу P , удовлетворяющую двум следующим матричным уравнениям:

AT P  PA  Q1 , Pb  c ,

где Q1  Q1T – некоторая положительно определенная матрица. Перепишем (6) в векторно-матричной форме:

ξ  (Γξ  dy) ,

(11)

1  hT ξ ,

 0 1 0 ... 0 

0

 

0

0

1 ...

0

 

 

0

 

где ξ  Rr1 – вектор переменных состояния модели (11), Γ   0 0 0 ... 0  , d   0  ,

  

  

k1 k2 k3 ... kr1 

k1 

1

0

h

0 , причем матрица 

Γ

– гурвицева в силу расчета коэффициентов

ki

модели (6).



0

Введем в рассмотрение вектор отклонений

η  hy  ξ .

Дифференцируя уравнение (12), получаем:

η  hy  (Γ(hy  η)  dy)  hy  Γη  (d  Γh) y  hy  Γη ,

(12)

70 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 3 (79)

А.А. Бобцов, С.А. Колюбин, А.А. Пыркин

  y  1  hT η , где d  Γh .
Таким образом, имеем систему дифференциальных уравнений:

x  Ax  kb(  w) , y  cT x ,

(13)

η  hy  Γη ,   hT η .

(14)

В силу гурвицевости Γ существует матрица N  NT , удовлетворяющая уравнению Ляпунова

ΓT N  NΓ  Q2 ,
где Q2  QT2 – положительно определенная матрица. В работах [18, 19] была построена функция Ляпунова вида V  xT Px  ηT Nη

(15)

и показано, что для системы (13), (14) существует число   k такое, что

V  V  k1w2 ,

(16)

где число   0 .

Следуя результатам раздела «Предварительный результат», легко показать, что lim w(t)  0 . Поt 
скольку доказательство аналогично приведенным в [18, 19], не будем повторять его здесь. Так как w(t)

экспоненциально сходится к нулю, то из неравенства (16) следует, что функция (15) стремится к нулю,

что означает выполнение целевого условия (2).

Пример
Рассмотрим числовой пример моделирования предлагаемого алгоритма управления (5), (6) для линейного объекта вида (1) вида
[ p3  2 p  3] y(t)  [ p  2]u(t) [4 p 1]δ(t) , y(0)  2 , y(0)  2 , y(0)  2 . Будем полагать, что относительная степень r * не превосходит 3, но известно, что относительная степень не меньше 2. Выберем закон управления в соответствии с (5), (6), где ( p)  p 1 , T2  1 ,   1, коэффициент k настраивается по линейному закону до тех пор, пока переменная y(t) не попадет в ма-
лую область 0,1, параметры T11 и  рассчитываются в соответствии с замечанием 2, т.е. T11  k 2 и   0 (T11)2 , где 0  0,8 . На рисунке представлены переходные процессы в замкнутой системе с возмущением (t)  6sin(3t  2) . На рисунке (а) представлен результат моделирования для выходной пере-
менной y(t) , а на рисунке (б) – для адаптивно настраивающихся параметров k , T11 и  .
y(t) 100
4 80

2 60

Отн. ед. Отн. ед.

0 40
–2 20
–4

–6 0 0 2 4 6 8 t, c

24 k

6 8 t, c T1–1 

аб

Рисунок. Графики переходных процессов в замкнутой системе: (а) – график функции y(t) ;

(б) – графики функций k , T11 и 

Заключение

Для класса линейных стационарных параметрически и структурно неопределенных объектов вида (1) получаем алгоритм адаптивного управления (5), (6), полностью парирующий влияние синусоидального возмущающего воздействия (t)  sin(t  ) с неизвестными амплитудой  и фазой  . В качестве
недостатка отметим, что в представленной работе задача была решена для случая известной частоты ω возмущающего воздействия (t)  sin(t  ) . Расширение полученного результата на случай неиз-

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 3 (79)

71

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ВЫХОДУ С КОМПЕНСАЦИЕЙ …

вестной частоты возможно посредством введения дополнительного канала ее идентификации. При этом подстановка получаемых оценок частоты в контур регулирования может происходить итеративно с использованием схемы с переключениями.

Литература

1. Bodson M., Douglas S.C. Adaptive algorithms for the rejection of periodic disturbances with unknown frequencies // Automatica. – 1997. – V. 33. – P. 2213–2221.
2. Никифоров В.О. Адаптивное и робастное управление с компенсацией возмущений. – СПб: Наука, 2003. – 282 с.
3. Никифоров В.О. Адаптивная стабилизация линейного объекта, подверженного внешним детерминированным возмущениям // Известия РАН. Теория и системы управления. – 1997. – № 2. – С. 103–106.

4. Nikiforov V.O. Adaptive non-linear tracking with complete compensation of unknown disturbances // European Journal of Control. – 1998. – V. 4. – № 2. – Р. 132–139.

5. Marino R., Santosuosso G.L., Tomei P. Robust adaptive compensation of biased sinusoidal disturbances with unknown frequency. – Automatica. – 2003. – V. 39. – P. 1755–1761.
6. Marino R. and Р. Tomei. Output Regulation for Linear Minimum Phase Systems with Unknown Order Exosystem // IEEE Transactions on Automatic Control. – 2007. – V. 52. – P. 2000–2005.
7. Арановский С.В., Бобцов А.А., Никифоров В.О. Синтез наблюдателя для нелинейного объекта в условиях гармонического возмущения, приложенного к выходной переменной // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2010. – № 3 (67). – C. 32–38.
8. Бобцов А.А., Кремлев А.С. Алгоритм компенсации неизвестного синусоидального возмущения для линейного не минимально фазового объекта // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2008. – № 10. – С. 14–17.
9. Бобцов А.А. Алгоритм управления по выходу с компенсацией гармонического возмущения со смещением // Автоматика и телемеханика. – 2008. – № 8. – С. 25–32.
10. Бобцов А.А. Адаптивное управление по выходу с компенсацией гармонического смещенного возмущения // Известия РАН. Теория и системы управления. – 2009. – № 1. – С. 45–48.
11. Бобцов А.А., Пыркин А.А. Компенсация неизвестного синусоидального возмущения для линейного объекта любой относительной степени // Автоматика и телемеханика. – 2009. – № 3. – С. 114–122.
12. Бобцов А.А., Колюбин С.А., Пыркин А.А. Компенсация неизвестного мультигармонического возмущения для нелинейного объекта с запаздыванием по управлению // Автоматика и телемеханика. – 2010. – № 11. – С. 115–122.

13. Anton Pyrkin, Andrey Smyshlyaev, Nikolaos Bekiaris-Liberis, Miroslav Krstic. Rejection of Sinusoidal Disturbance of Unknown Frequency for Linear System with Input Delay // American Control Conference. – Baltimore, 2010. – P. 5688–5693.
14. Бобцов А.А., Кремлев А.С., Пыркин А.А. Компенсация гармонического возмущения для параметрически и функционально неопределенного нелинейного объекта // Автоматика и телемеханика. – 2011. – № 1. – С. 121–129.
15. Лукьянова Г.В., Никифоров В.О. Алгоритм компенсации внешних детерминированных возмущений: операторный метод синтеза // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). – 2003. – Вып. 10. – С. 5–9.
16. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков А.Л. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. – СПб: Наука, 2000. – 549 с.
17. Бобцов А.А., Николаев Н.А. Синтез управления нелинейными системами с функциональными и параметрическими неопределенностями на основе теоремы Фрадкова // Автоматика и телемеханика. – 2005. – № 1. – С. 118–129.
18. Бобцов А.А., Шаветов С.В. Управление по выходу линейным параметрически неопределенным объектом в условиях возмущающих воздействий и неучтенной динамики // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2011. – № 1 (71). – C. 32–38.
19. Бобцов А.А., Николаев Н.А. Управление по выходу линейными системами с неучтенной паразитной динамикой // Автоматика и телемеханика. – 2009. – № 6. – С. 115–122.

Бобцов Алексей Алексеевич Колюбин Сергей Алексеевич

– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, декан, bobtsov@mail.ifmo.ru
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, аспирант,

Пыркин Антон Алексеевич

s.kolyubin@gmail.com – Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кандидат технических
наук, ассистент, a.pyrkin@gmail.com

72 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 3 (79)