CN111208728B - 一种线性自抗扰控制方法、装置设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请中公开了一种线性自抗扰控制方法、装置设备及存储介质，方法包括：建立永磁直线电机的数学模型；根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分自抗扰控制器的控制量；将所述控制量作用于被控对象。本申请解决了现有技术中的均依赖于被控对象的模型，且由于对噪声干扰的敏感度较高，而影响控制精度的技术问题。

Description

一种线性自抗扰控制方法、装置设备及存储介质

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种线性自抗扰控制方法、装置设备及存储介质。

背景技术

随着基础科学和应用技术的发展，永磁同步电机(Permanent magnetsynchronous-motor，PMSM)由于其结构简单、工作效率高等优点，使得其在工业机器人、航空交通、AGV等无人搬运车等现代工业领域得到广泛应用。但是永磁同步电机有着强耦合、非线性、参数多变性等特点，为了完成生产过程中的复杂工艺以及提高生产效率，传统的PID控制算法已经难以满足现代生产工业的精度需求，因此控制算法的改进成为永磁同步电机应用中的一大难题。目前的一些较为先进的控制算法，比如BT神经网络控制、模糊控制，自适应PID控制等，虽然都取得了不错的控制效果，但是均依赖于被控对象的模型，且由于对噪声干扰的敏感度较高，而影响控制精度。

发明内容

本申请提供了一种线性自抗扰控制方法、装置设备及存储介质，解决了现有技术中的均依赖于被控对象的模型，且由于对噪声干扰的敏感度较高，而影响控制精度的技术问题。

本申请第一方面提供了一种线性自抗扰控制方法，包括：

建立永磁直线电机的数学模型；

根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分自抗扰控制器的控制量；

将所述控制量作用于被控对象。

可选地，根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分自抗扰控制器的控制量，具体包括：

设置微分阈值，并根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器；

将所述永磁直线电机的期望转速和转速误差输入所述微分线性自抗扰控制器，获得所述微分线性自抗扰控制器的控制量。

可选地，所述建立永磁直线电机的数学模型还包括：根据所述数学模型构建所述永磁电机的动力学模型。

可选地，所述设置微分阈值，并根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，还包括：

将非线性的PID控制器和线性的PID控制器结合，构建微分线性自抗扰控制器。

本申请第二方面提供了一种线性自抗扰控制装置，包括：

建模模块，用于建立永磁直线电机的数学模型；

建立控制器模块，用于根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分自抗扰控制器的控制量；

控制模块，用于将所述控制量作用于被控对象。

可选地，所述建立控制器模块具体包括：

设置单元，用于设置微分阈值，并根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器；

获得控制量单元，用于将所述永磁直线电机的期望转速和转速误差输入所述微分线性自抗扰控制器，获得所述微分线性自抗扰控制器的控制量。

可选地，所述建模模块还用于：根据所述数学模型构建所述永磁电机的动力学模型。

可选地，所述建立控制器模块还用于：将非线性的PID控制器和线性的PID控制器结合，构建微分线性自抗扰控制器。

本申请第三方面提供了一种线性自抗扰控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的线性自抗扰控制方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的线性自抗扰控制方法。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中，提供了一种线性自抗扰控制方法，包括：

建立永磁直线电机的数学模型；

根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分自抗扰控制器的控制量；

将所述控制量作用于被控对象。

本申请提供的线性自抗扰控制方法，通过设置永磁直线电机的微分自抗扰控制器，该控制器根据变速积分的原理，对微分项设置阈值，当距离期望转速有一定距离时，增大微分作用，当电机稳定时减弱微分作用，以实现微分作用的合理分配，将电机的转速误差转化为相应的控制量，并将该控制量作用于永磁同步电机。本申请不仅改善了控制电机在噪声干扰下工作的稳定性，大幅度提高了电机的响应速度，而且电机能够根据电机转速误差值来进行调整，具有较强的适应能力和鲁棒性，因而能够提高永磁直线电机的应用价值。本申请解决了现有技术中的均依赖于被控对象的模型，且由于对噪声干扰的敏感度较高，而影响控制精度的技术问题。

附图说明

图1为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的另一个实施例的流程示意图；

图3为本申请提供的一种线性自抗扰控制装置的结构示意图；

图4为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的永磁同步电机的数学坐标模型图；

图5为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的永磁同步电机的动力学模型图；

图6为现有技术中的线性自抗扰控制器的结构图；

图7为在Simulink中线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的单轴电机的输出对比图；

图8为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的变速微分ADRC控制的转速误差曲线；

图9为随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机输出曲线的对比图；

图10为随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机输出曲线的对比放大图；

图11为随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机转速误差曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供了一种线性自抗扰控制方法、装置设备及存储介质，解决了现有技术中的均依赖于被控对象的模型，且由于对噪声干扰的敏感度较高，而影响控制精度的技术问题。

为了便于理解，请参见图1、4-11，图1为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的一个实施例的流程示意图；图4为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的永磁同步电机的数学坐标模型图；图5为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的永磁同步电机的动力学模型图；图6为现有技术中的线性自抗扰控制器的结构图；图7为在Simulink中线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的单轴电机的输出对比图；图8为本申请提供的一种线性自抗扰控制方法的变速微分ADRC控制的转速误差曲线；图9为随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机输出曲线的对比图；图10为随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机输出曲线的对比放大图；图11为随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机转速误差曲线图。

本申请实施例第一方面提供了一种线性自抗扰控制方法，包括：

100，建立永磁直线电机的数学模型；

200，根据数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出微分自抗扰控制器的控制量；

300，将控制量作用于被控对象。

需要说明的是，本申请实施例提供的线性自抗扰控制方法，假设被控对象为一个二阶系统，其传递函数为：

首先建立永磁同步电机的数学模型。

永磁同步电机在d、q轴坐标下的变化过程为，其中，永磁同步电机的数学坐标模型图如图4：

(1)Clarke变换，从UVW坐标变换到α-β坐标，变换方程为：

(2)Park变换，从α-β坐标变换到d-q坐标：

(3)Park反变换，从d-q坐标变换到α-β坐标：

永磁直线同步电机中由于d轴的电感等于q轴的电感，因此采用i_d＝0的矢量控制方法。只需要最小的初级电流就可以产生所需要的电磁推力，降低系统的损耗。

经过上述的推导，可以得到永磁直线电机在d-q坐标轴下的电压平衡方程：

d、q磁链方程为：

其中，u_d、u_q永磁直线同步电机动子在d轴和q轴下的电压；R为初级绕组的等效电阻；i_d、i_q分别为d、q轴下的电流；L_d、L_q分别为d轴和q轴下的电感；τ为永磁体极距；v为电机的动子速度；ψ_d、ψ_q为d、q轴的磁链；ψ_f为永磁体磁链。

采用i_d＝0的矢量控制方式可以推导出：

机械运动方程：

直线电机推力Fe方程为：

得到式(8)永磁直线同步电机的机械运动方程为：

其中，F_L为负载阻力，D为摩擦系数；M为动子质量。

建立永磁直线电机的数学模型后，设置微分作用的阈值，构建变速微分线性自抗扰控制器，输入参考信号v(t)和系统反馈量的转速误差，输出变速微分线性自抗扰控制器的控制量u_vsdadrc；输出变速微分线性自抗扰控制器的控制量u_vsdadrc，作用于被控对象。

为了便于理解，请参见图2，为提供的一种线性自抗扰控制方法的另一个实施例的流程示意图；

进一步地，根据数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出微分自抗扰控制器的控制量，具体包括：

210，设置微分阈值，并根据数学模型构建微分线性自抗扰控制器；

220，将永磁直线电机的期望转速和转速误差输入微分线性自抗扰控制器，获得微分线性自抗扰控制器的控制量。

需要说明的是，设置微分作用的阈值，构建变速微分线性自抗扰控制器，输入电机期望转速和系统反馈量的转速误差，输出变速微分线性自抗扰控制器的控制量u_vsdadrc；

本申请对于传统线性自抗扰控制器中的线性控制率(LSEF)进行改进，采用非线性与线性结合的PID控制来代替线性控制率，并根据系统的预期输入来设置微分作用的阈值，对微分作用进行合理规划。传统的LSEF的形式如下：

u₀＝K_p(v-z₁)+K_dz₂

式中，K_p为控制器的比例系数，K_d为微分系数，v为电机的期望转速，z₁为跟踪信号，z₂为跟踪信号的微分。

改进后的控制率表达式如下：

u₀＝K_pfal(e1,a1,δ)+K_dfn(e2,A,B,x1,x2)

式中，e1为输入控制器的电机转动速度差值，e2为输入控制器的电机转动加速度差值，0＜a1＜1，δ为步长，A、B为设定的阈值。其中，fal函数表示为：

f_n函数为本文设计的变速微分函数，表示为：

微分项以前面变化量预测当此变化量的一种作用，具有预测作用，可以减小超调，提高响应速度，改善动态性能。但当应用场合存在噪声干扰时，系统稳定后的微分项对噪声反应过于灵敏，会破坏系统的稳定性。故本文根据微分作用原理设计fn函数，使微分项在系统趋于稳定时作用减弱。x1一般取值为预期输出的x2通常取值为1，A通常为0，取B＞A。

进一步地，建立永磁直线电机的数学模型还包括：根据数学模型构建永磁电机的动力学模型。

需要说明的是，在上述实施例中式(1)-(6)的推导的基础上，机械运动方程：

直线电机推力F_e方程为：

得到式(8)永磁直线同步电机机械运动方程为：

其中，F_L为负载阻力；D为摩擦系数；M为动子质量。

采用i_d＝0的矢量控制策略，(7)式可解得：

定义根据式(6)、(9)可得永磁直线电机的动力学模型，如图5所示。

进一步地，设置微分阈值，并根据数学模型构建微分线性自抗扰控制器，还包括：

将非线性的PID控制器和线性的PID控制器结合，构建微分线性自抗扰控制器。

需要说明的是，本申请对于如图6所示的传统线性自抗扰控制器中的线性控制率(LSEF)进行改进，采用非线性与线性结合的PID控制来代替线性控制率，并根据系统的预期输入来设置微分作用的阈值，对微分作用进行合理规划。

参见图7所示的在Simulink中线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的单轴电机的输出对比图，可以看出变速微分ADRC的控制效果最好。

图8是变速微分ADRC控制的转速误差曲线。图示中的输入电机转速为50rad/s，设永磁同步电机的仿真参数：直流电感L_d＝0.01391H，交流电感L_q＝0.01391H，极对数p_n＝3，极距τ＝39mm，每相绕组电阻R_s＝1Ω，初级质量M＝30kg，粘滞摩擦因数B＝0.1，PM有效磁链ψ_f＝0.0234Wb。根据输入信号和电机参数，对线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC进行参数整定，得到其输出相应曲线，从图7-8中可以看出在电机参数相同的情况下，采用变速微分控制方法所得到的效果相比较于线性ADRC、非线性ADRC控制方法控制性能更加，响应速度更快。

图9是随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机输出曲线的对比图。图10是随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机输出曲线的对比放大图。图11是随机噪声下采用线性ADRC、非线性ADRC和变速微分ADRC控制的电机转速误差曲线。从图9-11中可以看出，本申请所设计的变速微分ADRC控制方法既融合了线性与非线性的优点，并能根据电机转速误差的范围对微分作用进行合理分配，在噪声干扰环境下减小了微分作用对电机输出的影响，解决了敏感性问题。

为了便于理解，请参见图3，为本申请提供的一种线性自抗扰控制装置的结构示意图；

本申请实施例还提供了一种线性自抗扰控制装置，包括：

建模模块10，用于建立永磁直线电机的数学模型；

建立控制器模块20，用于根据数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出微分自抗扰控制器的控制量；

控制模块30，用于将控制量作用于被控对象。

进一步地，建立控制器模块20具体包括：

设置单元，用于设置微分阈值，并根据数学模型构建微分线性自抗扰控制器；

获得控制量单元，用于将永磁直线电机的期望转速和转速误差输入微分线性自抗扰控制器，获得微分线性自抗扰控制器的控制量。

进一步地，建模模块10还用于：根据数学模型构建永磁电机的动力学模型。

进一步地，建立控制器模块20还用于：将非线性的PID控制器和线性的PID控制器结合，构建微分线性自抗扰控制器。

本申请第三方面提供了一种线性自抗扰控制设备，设备包括处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述实施例的线性自抗扰控制方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述实施例的线性自抗扰控制方法。

本申请的说明书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种线性自抗扰控制方法，其特征在于，包括：

建立永磁直线电机的数学模型；

根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分线性自抗扰控制器的控制量；

将所述控制量作用于被控对象；

所述方法还包括：将非线性的PID控制器和线性的PID控制器结合，构建微分线性自抗扰控制器；

所述根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分线性自抗扰控制器的控制量，具体包括：

设置微分阈值，并根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器；

将所述永磁直线电机的期望转速和转速误差输入所述微分线性自抗扰控制器，获得所述微分线性自抗扰控制器的控制量；

所述微分线性自抗扰控制器的控制率具体为：

u₀＝K_pfal(e1,a1,δ)+K_dfn(e2,A,B,x1,x2)

式中：u₀表示微分线性自抗扰控制器的控制率；K_p表示微分线性自抗扰控制器的比例系数，K_d表示微分线性自抗扰控制器的微分系数；fal(e1,a1,δ)表示连续幂次非线性函数，e1表示输入微分线性自抗扰控制器的电机转动速度差值，a1表示微分线性自抗扰控制器的超参数，用于调节fal函数输出的控制量，0<a1<1，δ表示微分线性自抗扰控制器的步长；fn(e2,A,B,x1,x2)表示变速微分函数，e2表示输入微分线性自抗扰控制器的电机转动加速度差值，A和B表示在不同频段下设置的微分阈值，且B>A，x1和x2表示分段常数，x1取值为被控对象的预期输出值，x2取值为被控对象的预期输出值的1/10；

其中，fal函数表示为：

其中，fn函数表示为：

2.根据权利要求1所述的线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述建立永磁直线电机的数学模型还包括：根据所述数学模型构建所述永磁直线电机的动力学模型。

3.一种线性自抗扰控制装置，其特征在于，包括：

建模模块，用于建立永磁直线电机的数学模型；

建立控制器模块，用于根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器，并输出所述微分线性自抗扰控制器的控制量；

控制模块，用于将所述控制量作用于被控对象；

所述建立控制器模块还用于：将非线性的PID控制器和线性的PID控制器结合，构建微分线性自抗扰控制器；

所述建立控制器模块具体包括：

设置单元，用于设置微分阈值，并根据所述数学模型构建微分线性自抗扰控制器；

获得控制量单元，用于将所述永磁直线电机的期望转速和转速误差输入所述微分线性自抗扰控制器，获得所述微分线性自抗扰控制器的控制量；

所述微分线性自抗扰控制器的控制率具体为：

u₀＝K_pfal(e1,a1,δ)+K_afn(e2,A,B,x1,x2)

式中：u₀表示微分线性自抗扰控制器的控制率；K_p表示微分线性自抗扰控制器的比例系数，K_d表示微分线性自抗扰控制器的微分系数；fal(e1,a1,δ)表示连续幂次非线性函数，e1表示输入微分线性自抗扰控制器的电机转动速度差值，a1表示微分线性自抗扰控制器的超参数，用于调节fal函数输出的控制量，0<a1<1，δ表示微分线性自抗扰控制器的步长；fn(e2,A,B,x1,x2)表示变速微分函数，e2表示输入微分线性自抗扰控制器的电机转动加速度差值，A和B表示在不同频段下设置的微分阈值，且B>A，x1和x2表示分段常数，x1取值为被控对象的预期输出值，x2取值为被控对象的预期输出值的1/10；

其中，fal函数表示为：

其中，fn函数表示为：

4.根据权利要求3所述的线性自抗扰控制装置，其特征在于，所述建模模块还用于：根据所述数学模型构建所述永磁直线电机的动力学模型。

5.一种线性自抗扰控制设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-2任一项所述的线性自抗扰控制方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-2任一项所述的线性自抗扰控制方法。