基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制装置，其特征是，包括电流传感器、位移传感器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机和改进型自抗扰控制器，所述改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块。本实用新型所达到的有益效果：将常规自抗扰控制器进行改进，增加了目标轨迹的二阶导数，并将其与比例微分控制器的控制量进行组合，形成通过求和模块输出新的中间控制量；改进型自抗扰控制器不但有效地抑制了系统参数摄动和外部扰动对系统性能的影响，还能有效提高直线电机的轨迹跟踪精度，跟踪误差小。
【专利说明】基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制装置，属于直线电机运动控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]直线电机具有结构简单、响应快、精度和效率高等突出优点，在现代工业、民用、医疗、交通和军事等领域具有广泛的应用前景。
[0003]由于直线电机取消了中间传动环节，因此有利于实现高速或低速、高精度的直线运动。但也正是由于缺少中间传动环节的缓冲作用，直线电机更容易受到系统参数变化、摩擦力和负载扰动力等干扰因素的影响，给直线电机的轨迹跟踪运动控制带来很大的难度。
[0004]为获得良好的运动性能，越来越多的先进控制策略被引入到直线电机的控制研究中，如自适应鲁棒控制、重复学习控制和自抗扰控制等，其中自抗扰控制以其抗扰能力强、实现简单和不依赖精确的数学模型等优点受到研究人员的重视，但现有技术中，由于常规自抗扰控制器的重点在于自动抵抗扰动的影响，而不包含提高轨迹跟踪精度的环节，因此常规自抗扰控制器轨迹跟踪精度不高。
实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够在直线电机控制系统存在参数摄动、外部扰动情况下，实现对直线电机的高精度轨迹跟踪控制，并克服常规自抗扰控制器轨迹跟踪精度不高问题的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制装置及方法。
[0006]本实用新型采用如下技术方案解决上述技术问题:
[0007]基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，包括改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、电流传感器、位移传感器。
[0008]改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、位移传感器依次顺序连接，位移传感器与改进型自抗扰控制器相连接，第一比较模块通过电流传感器与功率逆变器相连接。
[0009]改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块；二阶微分器、第三比较模块、求和模块、扩张状态观测器、第二比较模块、比例微分控制器依次顺序连接，比例微分控制器与求和模块相连接，扩张状态观测器与第三比较模块相连接，一阶微分器与第二比较模块相连接，直线电机的轨迹信号同时发送到一阶微分器和二阶微分器。
[0010]扩张状态观测器包括三个信号输出端，比例微分控制器包括两个信号输入端，第二比较模块包括四个输入端和两个输出端，第二比较模块的四个输入端分别接收被跟踪的直线电机的目标轨迹、一阶微分器的输出信号和扩张状态观测器的其中两个输出信号(扩张状态观测器输出的直线电机实际运动位移的估计值和直线电机实际运动速度的估计值)。
[0011]第二比较模块的两个输出端分别与比例微分控制器的两个信号输入端相连接；一阶微分器、二阶微分器的输入端用于接收直线电机的目标轨迹。
[0012]本实用新型所达到的有益效果:本实用新型设计了一种基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制装置，在常规自抗扰控制器的基础上，增加了目标轨迹的二阶微分器(也即目标加速度信号)，并将二阶微分器输出量与比例微分控制器的控制量进行组合，通过求和模块形成新的中间控制量，与常规自抗扰控制器相比，改进型自抗扰控制器不但有效地抑制系统参数摄动和外部扰动对控制系统性能的影响，还能大大提高直线电机的轨迹跟踪精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的结构框图；
[0014]图2是本实用新型中正弦轨迹跟踪误差对比图；
[0015]图3是本实用新型中对系统参数摄动的抑制能力对比图；
[0016]图4是本实用新型中对外部扰动的抑制能力对比图；
[0017]图5是本实用新型中对总和扰动的估计及其误差图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
[0019]如图1所示，基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，包括改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、电流传感器、位移传感器。
[0020]所述改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、位移传感器依次顺序连接，所述位移传感器与改进型自抗扰控制器相连接，所述第一比较模块通过电流传感器与功率逆变器相连接。
[0021]所述改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块；所述二阶微分器、第三比较模块、求和模块、扩张状态观测器、第二比较模块、比例微分控制器依次顺序连接，所述比例微分控制器与所述求和模块相连接，所述扩张状态观测器与所述第三比较模块相连接，所述一阶微分器与所述第二比较模块相连接，所述直线电机的轨迹信号同时发送到所述一阶微分器和二阶微分器。
[0022]扩张状态观测器包括三个信号输出端，所述比例微分控制器包括两个信号输入端，所述第二比较模块包括四个输入端和两个输出端，所述第二比较模块的四个输入端分别接收被跟踪的直线电机的目标轨迹、一阶微分器的输出信号和扩张状态观测器的两个输出信号。
[0023]第二比较模块的两个输出端分别与所述比例微分控制器的两个信号输入端相连接；所述一阶微分器、二阶微分器的输入端用于接收直线电机的目标轨迹。
[0024]一阶微分器设置有输入端和输出端。
[0025]二阶微分器设置有输入端和输出端。
[0026]第二比较模块设置有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端和第二输出端。
[0027]第三比较模块设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
[0028]比例微分控制器设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
[0029]扩张状态观测器设置有第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端。
[0030]求和模块设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
[0031 ]电流传感器设置有输入端和输出端。
[0032]位移传感器设置有输入端和输出端。
[0033]第一比较模块设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
[0034]电流控制器设置有输入端和输出端。
[0035]脉冲宽度调制器设置有输入端和输出端。
[0036]功率逆变器设置有输入端和输出端。
[0037]直线电机设置有输入端和输出端；
[0038]如图1所示，本实用新型的内部连接关系如下:
[0039]一阶微分器的输入端与目标轨迹Xd相连接。
[0040]一阶微分器的输出端与第二比较模块的第二输入端相连接。
[0041]二阶微分器的输入端与目标轨迹Xd相连接。
[0042]二阶微分器的输出端与第三比较模块的第一输入端相连接。
[0043]第二比较模块的第一输入端与目标轨迹Xd相连接。
[0044]第二比较模块的第三输入端与扩张状态观测器的第一输出端相连接。
[0045]第二比较模块的第四输入端与扩张状态观测器的第二输出端相连接。
[0046]第二比较模块的第一输出端与比例微分控制器的第一输入端相连接。
[0047]第二比较模块的第二输出端与比例微分控制器的第二输入端相连接。
[0048]比例微分控制器的输出端与求和模块的第一输入端相连接。
[0049]第三比较模块的第二输入端与扩张状态观测器的第三输出端相连接。
[0050]第三比较模块的输出端与求和模块的第二输入端相连接。
[0051]扩张状态观测器的第一输入端与求和模块的输出端相连接。
[0052]扩张状态观测器的第二输入端与位移传感器的输出端相连接。
[0053]求和模块的输出端与第一比较模块的第一输入端相连接。
[0054]第一比较模块的第二输入端与电流传感器的输出端相连接。
[0055]第一比较模块的输出端与电流控制器的输入端相连接。
[0056]电流控制器的输出端与脉冲宽度调制器的输入端相连接。
[0057]脉冲宽度调制器的输出端与功率逆变器的输入端相连接。
[0058]功率逆变器的输出端与电流传感器的输入端相连接。
[0059]直线电机的输入端与功率逆变器的输出端相连接。
[0060]直线电机的输出端与位移传感器的输入端相连接。
[0061]脉冲宽度调制器利用电流控制器输出的实际控制量u产生相应的PWM(PUlseWidth Modulat1n，脉冲宽度调制)信号，并传输至功率逆变器；
[0062]功率逆变器利用PWM信号产生相应的电压信号，从而控制所述直线电机运行。
[0063]图1反映的是基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制系统框图。
[0064]图2反映的是当目标轨迹为正弦轨迹xd = 25sin(4t_0.5 3i)+25(mm)时，三种控制器的轨迹跟踪误差对比图，这三种控制器分别为比例积分微分前馈控制、常规自抗扰控制和改进型自抗扰控制。从图中可以看出，改进型自抗扰控制的跟踪误差最小，控制精度最闻，最大跟踪误差小于I μ m。
[0065]图3反映的是在系统参数摄动下三种控制器的正弦轨迹跟踪误差对比图，这里系统参数(即运动部分的质量)由0.25kg变为10kg。从图中可以看出，改进型自抗扰控制的跟踪误差为最小，控制精度最高，有力说明了改进型自抗扰控制器对系统参数摄动具有较强的抑制能力。
[0066]图4反映的是在外部扰动作用下三种控制器的正弦轨迹跟踪误差对比图，这里在0.4 - 1.1秒之间给系统施加1N的作用力，模拟突变的外部扰动作用。从图中可以看出，改进型自抗扰控制的跟踪误差仍为最小，控制精度最高，说明基于改进型自抗扰控制器的轨迹跟踪运动控制系统对外部扰动同样具有很强的抑制能力。
[0067]图5反映的是扩张状态观测器对系统总和扰动的估计作用。从图中可以看出，扩张状态观测器对总和扰动的估计值与实际值之间的误差很小，正是由于扩张状态观测器能较好地观测与估计总和扰动的作用，因此基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪运动控制系统具有极强的扰动抑制能力，从而更有利于高精度轨迹跟踪的实现。
[0068]以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，其特征在于，包括改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、电流传感器、位移传感器； 所述改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、位移传感器依次顺序连接，所述位移传感器与改进型自抗扰控制器相连接，所述第一比较模块通过电流传感器与功率逆变器相连接； 所述改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块；所述二阶微分器、第三比较模块、求和模块、扩张状态观测器、第二比较模块、比例微分控制器依次顺序连接，所述比例微分控制器与所述求和模块相连接，所述扩张状态观测器与所述第三比较模块相连接，所述一阶微分器与所述第二比较模块相连接，所述直线电机的轨迹信号同时发送到所述一阶微分器和二阶微分器。
2.根据权利要求1所述的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，其特征在于，所述扩张状态观测器包括三个信号输出端，所述比例微分控制器包括两个信号输入端，所述第二比较模块包括四个输入端和两个输出端。
3.根据权利要求1所述的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，其特征在于，所述第二比较模块的两个输出端分别与所述比例微分控制器的两个信号输入端相连接；所述一阶微分器、二阶微分器的输入端用于接收直线电机的目标轨迹。
【文档编号】G05B13/04GK204086851SQ201420483128
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】施昕昕, 黄家才, 温秀兰 申请人:南京工程学院