基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤控制裝置，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(jī)和改進(jìn)型自抗擾控制器，所述改進(jìn)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和求和模塊。本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果：將常規(guī)自抗擾控制器進(jìn)行改進(jìn)，增加了目標(biāo)軌跡的二階導(dǎo)數(shù)，并將其與比例微分控制器的控制量進(jìn)行組合，形成通過(guò)求和模塊輸出新的中間控制量；改進(jìn)型自抗擾控制器不但有效地抑制了系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，還能有效提高直線電機(jī)的軌跡跟蹤精度，跟蹤誤差小。
【專利說(shuō)明】基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤控制裝置，屬于直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、精度和效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用前景。
[0003]由于直線電機(jī)取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此有利于實(shí)現(xiàn)高速或低速、高精度的直線運(yùn)動(dòng)。但也正是由于缺少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的緩沖作用，直線電機(jī)更容易受到系統(tǒng)參數(shù)變化、摩擦力和負(fù)載擾動(dòng)力等干擾因素的影響，給直線電機(jī)的軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)很大的難度。
[0004]為獲得良好的運(yùn)動(dòng)性能，越來(lái)越多的先進(jìn)控制策略被引入到直線電機(jī)的控制研究中，如自適應(yīng)魯棒控制、重復(fù)學(xué)習(xí)控制和自抗擾控制等，其中自抗擾控制以其抗擾能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和不依賴精確的數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)在于自動(dòng)抵抗擾動(dòng)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。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠在直線電機(jī)控制系統(tǒng)存在參數(shù)攝動(dòng)、外部擾動(dòng)情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)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(wèn)題的基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤控制裝置及方法。
[0006]本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題:
[0007]基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤裝置，包括改進(jìn)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(jī)、電流傳感器、位移傳感器。
[0008]改進(jìn)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(jī)、位移傳感器依次順序連接，位移傳感器與改進(jìn)型自抗擾控制器相連接，第一比較模塊通過(guò)電流傳感器與功率逆變器相連接。
[0009]改進(jìn)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和求和模塊；二階微分器、第三比較模塊、求和模塊、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、第二比較模塊、比例微分控制器依次順序連接，比例微分控制器與求和模塊相連接，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器與第三比較模塊相連接，一階微分器與第二比較模塊相連接，直線電機(jī)的軌跡信號(hào)同時(shí)發(fā)送到一階微分器和二階微分器。
[0010]擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器包括三個(gè)信號(hào)輸出端，比例微分控制器包括兩個(gè)信號(hào)輸入端，第二比較模塊包括四個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，第二比較模塊的四個(gè)輸入端分別接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡、一階微分器的輸出信號(hào)和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的其中兩個(gè)輸出信號(hào)(擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器輸出的直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的估計(jì)值和直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)值)。
[0011]第二比較模塊的兩個(gè)輸出端分別與比例微分控制器的兩個(gè)信號(hào)輸入端相連接；一階微分器、二階微分器的輸入端用于接收直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡。
[0012]本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果:本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤控制裝置，在常規(guī)自抗擾控制器的基礎(chǔ)上，增加了目標(biāo)軌跡的二階微分器(也即目標(biāo)加速度信號(hào))，并將二階微分器輸出量與比例微分控制器的控制量進(jìn)行組合，通過(guò)求和模塊形成新的中間控制量，與常規(guī)自抗擾控制器相比，改進(jìn)型自抗擾控制器不但有效地抑制系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，還能大大提高直線電機(jī)的軌跡跟蹤精度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；
[0014]圖2是本實(shí)用新型中正弦軌跡跟蹤誤差對(duì)比圖；
[0015]圖3是本實(shí)用新型中對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)的抑制能力對(duì)比圖；
[0016]圖4是本實(shí)用新型中對(duì)外部擾動(dòng)的抑制能力對(duì)比圖；
[0017]圖5是本實(shí)用新型中對(duì)總和擾動(dòng)的估計(jì)及其誤差圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]如圖1所示，基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤裝置，包括改進(jìn)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(jī)、電流傳感器、位移傳感器。
[0020]所述改進(jìn)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(jī)、位移傳感器依次順序連接，所述位移傳感器與改進(jìn)型自抗擾控制器相連接，所述第一比較模塊通過(guò)電流傳感器與功率逆變器相連接。
[0021]所述改進(jìn)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和求和模塊；所述二階微分器、第三比較模塊、求和模塊、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(jī)的軌跡信號(hào)同時(shí)發(fā)送到所述一階微分器和二階微分器。
[0022]擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器包括三個(gè)信號(hào)輸出端，所述比例微分控制器包括兩個(gè)信號(hào)輸入端，所述第二比較模塊包括四個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，所述第二比較模塊的四個(gè)輸入端分別接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡、一階微分器的輸出信號(hào)和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的兩個(gè)輸出信號(hào)。
[0023]第二比較模塊的兩個(gè)輸出端分別與所述比例微分控制器的兩個(gè)信號(hào)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(jī)的目標(biāo)軌跡。
[0024]一階微分器設(shè)置有輸入端和輸出端。
[0025]二階微分器設(shè)置有輸入端和輸出端。
[0026]第二比較模塊設(shè)置有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端、第四輸入端、第一輸出端和第二輸出端。
[0027]第三比較模塊設(shè)置有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。
[0028]比例微分控制器設(shè)置有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。
[0029]擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)置有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端、第二輸出端和第三輸出端。
[0030]求和模塊設(shè)置有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。
[0031 ]電流傳感器設(shè)置有輸入端和輸出端。
[0032]位移傳感器設(shè)置有輸入端和輸出端。
[0033]第一比較模塊設(shè)置有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。
[0034]電流控制器設(shè)置有輸入端和輸出端。
[0035]脈沖寬度調(diào)制器設(shè)置有輸入端和輸出端。
[0036]功率逆變器設(shè)置有輸入端和輸出端。
[0037]直線電機(jī)設(shè)置有輸入端和輸出端；
[0038]如圖1所示，本實(shí)用新型的內(nèi)部連接關(guān)系如下:
[0039]一階微分器的輸入端與目標(biāo)軌跡Xd相連接。
[0040]一階微分器的輸出端與第二比較模塊的第二輸入端相連接。
[0041]二階微分器的輸入端與目標(biāo)軌跡Xd相連接。
[0042]二階微分器的輸出端與第三比較模塊的第一輸入端相連接。
[0043]第二比較模塊的第一輸入端與目標(biāo)軌跡Xd相連接。
[0044]第二比較模塊的第三輸入端與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的第一輸出端相連接。
[0045]第二比較模塊的第四輸入端與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的第二輸出端相連接。
[0046]第二比較模塊的第一輸出端與比例微分控制器的第一輸入端相連接。
[0047]第二比較模塊的第二輸出端與比例微分控制器的第二輸入端相連接。
[0048]比例微分控制器的輸出端與求和模塊的第一輸入端相連接。
[0049]第三比較模塊的第二輸入端與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的第三輸出端相連接。
[0050]第三比較模塊的輸出端與求和模塊的第二輸入端相連接。
[0051]擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的第一輸入端與求和模塊的輸出端相連接。
[0052]擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的第二輸入端與位移傳感器的輸出端相連接。
[0053]求和模塊的輸出端與第一比較模塊的第一輸入端相連接。
[0054]第一比較模塊的第二輸入端與電流傳感器的輸出端相連接。
[0055]第一比較模塊的輸出端與電流控制器的輸入端相連接。
[0056]電流控制器的輸出端與脈沖寬度調(diào)制器的輸入端相連接。
[0057]脈沖寬度調(diào)制器的輸出端與功率逆變器的輸入端相連接。
[0058]功率逆變器的輸出端與電流傳感器的輸入端相連接。
[0059]直線電機(jī)的輸入端與功率逆變器的輸出端相連接。
[0060]直線電機(jī)的輸出端與位移傳感器的輸入端相連接。
[0061]脈沖寬度調(diào)制器利用電流控制器輸出的實(shí)際控制量u產(chǎn)生相應(yīng)的PWM(PUlseWidth Modulat1n，脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)，并傳輸至功率逆變器；
[0062]功率逆變器利用PWM信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，從而控制所述直線電機(jī)運(yùn)行。
[0063]圖1反映的是基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)框圖。
[0064]圖2反映的是當(dāng)目標(biāo)軌跡為正弦軌跡xd = 25sin(4t_0.5 3i)+25(mm)時(shí)，三種控制器的軌跡跟蹤誤差對(duì)比圖，這三種控制器分別為比例積分微分前饋控制、常規(guī)自抗擾控制和改進(jìn)型自抗擾控制。從圖中可以看出，改進(jìn)型自抗擾控制的跟蹤誤差最小，控制精度最聞，最大跟蹤誤差小于I μ m。
[0065]圖3反映的是在系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)下三種控制器的正弦軌跡跟蹤誤差對(duì)比圖，這里系統(tǒng)參數(shù)(即運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量)由0.25kg變?yōu)?0kg。從圖中可以看出，改進(jìn)型自抗擾控制的跟蹤誤差為最小，控制精度最高，有力說(shuō)明了改進(jìn)型自抗擾控制器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力。
[0066]圖4反映的是在外部擾動(dòng)作用下三種控制器的正弦軌跡跟蹤誤差對(duì)比圖，這里在0.4 - 1.1秒之間給系統(tǒng)施加1N的作用力，模擬突變的外部擾動(dòng)作用。從圖中可以看出，改進(jìn)型自抗擾控制的跟蹤誤差仍為最小，控制精度最高，說(shuō)明基于改進(jìn)型自抗擾控制器的軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)同樣具有很強(qiáng)的抑制能力。
[0067]圖5反映的是擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)總和擾動(dòng)的估計(jì)作用。從圖中可以看出，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)總和擾動(dòng)的估計(jì)值與實(shí)際值之間的誤差很小，正是由于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器能較好地觀測(cè)與估計(jì)總和擾動(dòng)的作用，因此基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的擾動(dòng)抑制能力，從而更有利于高精度軌跡跟蹤的實(shí)現(xiàn)。
[0068]以上僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤裝置，其特征在于，包括改進(jìn)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(jī)、電流傳感器、位移傳感器； 所述改進(jìn)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(jī)、位移傳感器依次順序連接，所述位移傳感器與改進(jìn)型自抗擾控制器相連接，所述第一比較模塊通過(guò)電流傳感器與功率逆變器相連接； 所述改進(jìn)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和求和模塊；所述二階微分器、第三比較模塊、求和模塊、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(jī)的軌跡信號(hào)同時(shí)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(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤裝置，其特征在于，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器包括三個(gè)信號(hào)輸出端，所述比例微分控制器包括兩個(gè)信號(hào)輸入端，所述第二比較模塊包括四個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)型自抗擾控制器的直線電機(jī)軌跡跟蹤裝置，其特征在于，所述第二比較模塊的兩個(gè)輸出端分別與所述比例微分控制器的兩個(gè)信號(hào)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(jī)的目標(biāo)軌跡。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK204086851SQ201420483128
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)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(qǐng)人:南京工程學(xué)院