基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤控制方法及裝置，其特征是，包括電流傳感器、位移傳感器、第一比較模塊、電流控制器、脈沖寬度調(diào)制器、功率逆變器、直線電機和改進型自抗擾控制器，所述改進型自抗擾控制器包括一階微分器、二階微分器、第二比較模塊、第三比較模塊、比例微分控制器、擴張狀態(tài)觀測器和求和模塊。本發(fā)明所達到的有益效果：將常規(guī)自抗擾控制器進行改進，增加了目標軌跡的二階導數(shù)，并將其與比例微分控制器的控制量進行組合，形成新的中間控制量；改進型自抗擾控制器不但有效地抑制了系統(tǒng)參數(shù)攝動和外部擾動對系統(tǒng)性能的影響，還能有效提高直線電機的軌跡跟蹤精度，跟蹤誤差小。
【專利說明】基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤控制方法及裝置，屬于直線電機運動控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]直線電機具有結(jié)構(gòu)簡單、響應快、精度和效率高等突出優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)、民用、醫(yī)療、交通和軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。
[0003]由于直線電機取消了中間傳動環(huán)節(jié)，因此有利于實現(xiàn)高速或低速、高精度的直線運動。但也正是由于缺少中間傳動環(huán)節(jié)的緩沖作用，直線電機更容易受到系統(tǒng)參數(shù)變化、摩擦力和負載擾動力等干擾因素的影響，給直線電機的軌跡跟蹤運動控制帶來很大的難度。
[0004]為獲得良好的運動性能，越來越多的先進控制策略被引入到直線電機的控制研究中，如自適應魯棒控制、重復學習控制和自抗擾控制等，其中自抗擾控制以其抗擾能力強、實現(xiàn)簡單和不依賴精確的數(shù)學模型等優(yōu)點受到研究人員的重視，但現(xiàn)有技術(shù)中，由于常規(guī)自抗擾控制器的重點在于自動抵抗擾動的影響，而不包含提高軌跡跟蹤精度的環(huán)節(jié)，因此常規(guī)自抗擾控制器軌跡跟蹤精度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠在直線電機控制系統(tǒng)存在參數(shù)攝動、外部擾動情況下，實現(xiàn)對直線電機的高精度軌跡跟蹤控制，并克服常規(guī)自抗擾控制器軌跡跟蹤精度不高問題的基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤控制裝置及方法。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題:
[0007]基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤裝置，包括改進型自抗擾控制器、第一比較模塊、電流控制器、脈沖寬度調(diào)制器、功率逆變器、直線電機、電流傳感器、位移傳感器。
[0008]所述改進型自抗擾控制器、第一比較模塊、電流控制器、脈沖寬度調(diào)制器、功率逆變器、直線電機、位移傳感器依次順序連接，所述位移傳感器與改進型自抗擾控制器相連接，所述第一比較模塊通過電流傳感器與功率逆變器相連接。
[0009]所述改進型自抗擾控制器包括一階微分器、二階微分器、第二比較模塊、第三比較模塊、比例微分控制器、擴張狀態(tài)觀測器和求和模塊；所述二階微分器、第三比較模塊、求和模塊、擴張狀態(tài)觀測器、第二比較模塊、比例微分控制器依次順序連接，所述比例微分控制器與所述求和模塊相連接，所述擴張狀態(tài)觀測器與所述第三比較模塊相連接，所述一階微分器與所述第二比較模塊相連接，所述直線電機的軌跡信號同時發(fā)送到所述一階微分器和二階微分器。
[0010]擴張狀態(tài)觀測器包括三個信號輸出端，所述比例微分控制器包括兩個信號輸入端，所述第二比較模塊包括四個輸入端和兩個輸出端，所述第二比較模塊的四個輸入端分別接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡、一階微分器的輸出信號和擴張狀態(tài)觀測器的兩個輸出信號(擴張狀態(tài)觀測器輸出的直線電機實際運動位移的估計值和直線電機實際運動速度的估計值)，擴張狀態(tài)觀測器包括三個輸出端，分別為直線電機實際運動位移的估計值Z1、直線電機實際運動速度的估計值Z2和系統(tǒng)總和擾動的估計值z3。
[0011]第二比較模塊的兩個輸出端分別與所述比例微分控制器的兩個信號輸入端相連接；所述一階微分器、二階微分器的輸入端用于接收直線電機的目標軌跡。
[0012]基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤方法，具體包括以下步驟:
[0013]步驟(1)，電流傳感器采集直線電機的實際相電流i ;
[0014]步驟(2)，位移傳感器采集直線電機的實際運動位移X ；
[0015]步驟⑶:改進型自抗擾控制器接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡Xd，利用步驟
(2)中所述直線電機實際運動位移X和所述目標軌跡xd，改進型自抗擾控制器輸出中間控制量U1 ;
[0016]步驟(4):第一比較模接收中間控制量U1，將中間控制量1^和直線電機的實際相電流i比較后的誤差值e發(fā)送到電流控制器處理，電流控制器輸出實際電壓控制量u ；
[0017]步驟(5):將步驟(4)所述實際控制量u發(fā)送到脈沖寬度調(diào)制器進行脈沖寬度調(diào)制，產(chǎn)生PWM信號，控制功率逆變器產(chǎn)生電壓信號，所述功率逆變器控制直線電機的運行。
[0018]步驟⑶具體包括以下步驟:
[0019]步驟(301)，一階微分器、二階微分器同時接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡xd，一階微分器、二階微分器對接收到的目標軌跡Xd分別進行一階微分、二階微分處理，所述一階微分、二階微分處理為式(I):.Vtl = d-Kj jdt

【權(quán)利要求】
1.基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤裝置，其特征在于，包括改進型自抗擾控制器、第一比較模塊、電流控制器、脈沖寬度調(diào)制器、功率逆變器、直線電機、電流傳感器、位移傳感器； 所述改進型自抗擾控制器、第一比較模塊、電流控制器、脈沖寬度調(diào)制器、功率逆變器、直線電機、位移傳感器依次順序連接，所述位移傳感器與改進型自抗擾控制器相連接，所述第一比較模塊通過電流傳感器與功率逆變器相連接； 所述改進型自抗擾控制器包括一階微分器、二階微分器、第二比較模塊、第三比較模塊、比例微分控制器、擴張狀態(tài)觀測器和求和模塊；所述二階微分器、第三比較模塊、求和模塊、擴張狀態(tài)觀測器、第二比較模塊、比例微分控制器依次順序連接，所述比例微分控制器與所述求和模塊相連接，所述擴張狀態(tài)觀測器與所述第三比較模塊相連接，所述一階微分器與所述第二比較模塊相連接，所述直線電機的軌跡信號同時發(fā)送到所述一階微分器和二階微分器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤裝置，其特征在于，所述擴張狀態(tài)觀測器包括三個信號輸出端，所述比例微分控制器包括兩個信號輸入端，所述第二比較模塊包括四個輸入端和兩個輸出端，所述第二比較模塊的四個輸入端分別接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡、一階微分器的輸出信號和擴張狀態(tài)觀測器輸出的直線電機實際運動位移的估計值和直線電機實際運動速度的估計值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤裝置，其特征在于，所述第二比較模塊的兩個輸出端分別與所述比例微分控制器的兩個信號輸入端相連接；所述一階微分器、二階微分器的輸入端用于接收直線電機的目標軌跡。
4.基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟(I)，電流傳感器采集直線電機的實際相電流i ; 步驟(2)，位移傳感器采集直線電機的實際運動位移X ； 步驟(3):改進型自抗擾控制器接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡Xd，利用步驟(2)中所述直線電機實際運動位移X和所述目標軌跡xd，改進型自抗擾控制器輸出中間控制量U1 ; 步驟⑷:第一比較模接收中間控制量U1，將中間控制量^和直線電機的實際相電流i比較后的誤差值e發(fā)送到電流控制器處理，電流控制器輸出實際電壓控制量u ； 步驟(5):將步驟(4)所述實際控制量u發(fā)送到脈沖寬度調(diào)制器進行脈沖寬度調(diào)制，產(chǎn)生PWM信號，控制功率逆變器產(chǎn)生電壓信號，所述功率逆變器控制直線電機的運行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤方法，其特征在于，步驟(3)具體包括以下步驟: 步驟(301)，一階微分器、二階微分器同時接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡Xd，一階微分器、二階微分器對接收到的目標軌跡Xd分別進行一階微分、二階微分處理，所述一階微分、二階微分處理為式(I):
i,ι - dx.., Icil//,，(I)
λ;, = d~ Xd / dr其中，Xd為目標軌跡，d為微分算子，t為時間； 步驟S(302)，擴張狀態(tài)觀測器計算直線電機實際運動位移的估計值Z1、直線電機實際運動速度的估計值Z2和系統(tǒng)總和擾動的估計值Z3，具體計算公式為式(2);
其中，U1為中間控制量，X為直線電機實際運動位移，Z1, Z2和Z3分別為直線電機實際運動位移的估計值、直線電機實際運動速度的估計值和系統(tǒng)總和擾動的估計值，e0為Z1和X之間的誤差，b為控制量增益，β 01> β(^Ρ β C13為擴張狀態(tài)觀測器增益，α為冪指數(shù)，δ為fal (e0, α, δ)中線性段的區(qū)間長度； 公式(2)中非線性函數(shù)fal (?, α, δ)的表達式為式(3):1e0I < ^
式中，α為冪指數(shù)，sgn(.)為符號函數(shù)； 步驟(303)，比例微分控制器進行混沌控制輸出，具體計算公式為式(4):
其中Utll為比例微分控制器的輸出，Kp為比例系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，^和e2分別為Xd和Z1^知和Z2之間的誤差； 步驟(304)，第三比較模塊接收二階微分器的輸出量知，計算輸出控制量Utl2，求和模塊依據(jù)公式(5)計算步驟(302)所述中間控制量U1:
U1 = U01+U02 (5) 其中，?02 =(Xd-Z3)//? U02為第三比較模塊的輸出，^為目標軌跡的二階導數(shù)(即目標加速度)，Z3為系統(tǒng)總和擾動的估計值，b為控制量增益。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于改進型自抗擾控制器的直線電機軌跡跟蹤方法，其特征在于，步驟(5)電流控制器計算實際控制量u具體公式為式(6):u = Kpi.e+Kn.f edt (6)
其中 e = U1-1 ； 式中，e為中間控制量U1和直線電機的實際相電流i之間的誤差，Kpi和Kii分別為電流控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，/ (Odt為積分符號。
【文檔編號】G05B13/04GK104199301SQ201410423109
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】施昕昕, 黃家才, 溫秀蘭 申請人:南京工程學院