CN112051730A - 基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、结构、装置及存储介质 - Google Patents

基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、结构、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，包括由第一跟踪微分器和第二跟踪微分器组成复合跟踪微分器，得到复合跟踪微分器的微分表达式；对复合跟踪微分器在零初始条件下进行拉斯变换，得到参考信号和跟踪输出传递函数；通过前馈补偿的方式引入零点，并通过修改系数补偿系数α对零点进行配置。本发明还涉及一种实现自抗扰改进的复合跟踪微分器结构。采用了本发明的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、复合跟踪微分器结构、装置及计算机可读存储介质，相比较于常用的跟踪微分器，复合跟踪微分器能够更好地平衡跟踪相位滞后以及微分信号提出中噪声放大的问题。

Description

基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、结构、装置 及存储介质
技术领域
本发明涉及激光切割随动控制领域，尤其涉及复合跟踪微分器领域，具体是指一种激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、复合跟踪微分器结构、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
自抗扰控制算法主要由跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性组合。在自抗扰控制算法中，跟踪微分器用有两个作用：(1)对参考输入产生过渡输出作为控制过程中的期望位置值；(2)提取参考输入的微分信号。现有自抗扰控制算法存在以下缺点：跟踪微分器在原始信号跟踪相位滞后和微分信号噪声中存在的矛盾。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足平衡性好、操作简便、适用范围较为广泛的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、复合跟踪微分器结构、装置及计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、复合跟踪微分器结构、装置及计算机可读存储介质如下：
该激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)由第一跟踪微分器和第二跟踪微分器组成复合跟踪微分器，得到复合跟踪微分器的微分表达式；
(2)对复合跟踪微分器在零初始条件下进行拉斯变换，得到参考信号和跟踪输出传递函数；
(3)通过前馈补偿的方式引入零点，并通过修改系数补偿系数α对零点进行配置。
较佳地，所述的步骤(1)中得到复合跟踪微分器的微分表达式，具体为：
复合跟踪微分器的微分表达式如下：
Figure BDA0002684791010000021
其中，v是输入信号，x1,x2为第一跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R1,k1,k2为第一跟踪微分器的系统参数，x3,x4为第二跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R2,k3,k4为第二跟踪微分器的系统参数。
较佳地，所述的步骤(2)中得到参考信号和跟踪输出传递函数，具体为：
参考信号和跟踪输出传递函数如下：
Figure BDA0002684791010000022
Figure BDA0002684791010000023
其中，R1、k1、k2为第一跟踪微分器的系统参数，R2、k3、k4为第二跟踪微分器的系统参数。
较佳地，所述的步骤(3)还包括以下步骤：
在补偿系数α为0的情况下，将跟踪微分器传递函数变为二阶形式。
较佳地，所述的步骤(3)中得到二阶形式的跟踪微分器传递函数，具体为：
二阶形式的跟踪微分器传递函数如下：
Figure BDA0002684791010000024
Figure BDA0002684791010000025
其中，R1、k1、k2为第一跟踪微分器的系统参数，R2、k3、k4为第二跟踪微分器的系统参数，且
Figure BDA0002684791010000026
2ξωn＝k2R。
较佳地，所述的步骤(3)中对零点进行配置具体为修改补偿系数。
该实现上述方法的激光切割随动控制系统中进行自抗扰改进控制的复合跟踪微分器结构，其主要特点是，所述的结构包括：
第一跟踪微分器，用于从原始信号中提取光滑跟踪信号作为第二跟踪微分器的补偿量；
第二跟踪微分器，与第一跟踪微分器相连接，用于在复合跟踪微分器中起主导功能；
所述的第一跟踪微分器和第二跟踪微分器根据原始信号的特性分别调整相应参数，满足滤波和微分信号的提取要求。
该激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的装置，其主要特点是，所述的装置包括用于存储程序的存储器以及用于执行所述的程序的处理器，以实现上述的基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法。
该计算机可读存储介质，其主要特点是，包括程序，所述的程序可被处理器执行以完成上述的基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法。
采用了本发明的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、复合跟踪微分器结构、装置及计算机可读存储介质，相比较于常用的跟踪微分器，复合跟踪微分器能够更好地平衡跟踪相位滞后以及微分信号提出中噪声放大的问题。
附图说明
图1为本发明的实现自抗扰改进的复合跟踪微分器框图。
图2为本发明的实现自抗扰改进的复合跟踪微分器结构的实施例的装置图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
请参阅图1和图2所示，本发明的该激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其中包括以下步骤：
(1)由一跟踪微分器和第二跟踪微分器组成复合跟踪微分器，得到复合跟踪微分器的微分表达式；
(2)对复合跟踪微分器在零初始条件下进行拉斯变换，得到参考信号和跟踪输出传递函数；
(3)通过前馈补偿的方式引入零点，并通过修改系数补偿系数α对零点进行配置。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(1)中得到复合跟踪微分器的微分表达式，具体为：
复合跟踪微分器的微分表达式如下：
Figure BDA0002684791010000031
其中，v是输入信号，x1,x2为第一跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R1,k1,k2为第一跟踪微分器的系统参数，x3,x4为第二跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R2,k3,k4为第二跟踪微分器的系统参数。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)中得到参考信号和跟踪输出传递函数，具体为：
参考信号和跟踪输出传递函数如下：
Figure BDA0002684791010000041
Figure BDA0002684791010000042
其中，R1、k1、k2为第一跟踪微分器的系统参数，R2、k3、k4为第二跟踪微分器的系统参数。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)还包括以下步骤：
在补偿系数α为0的情况下，将跟踪微分器传递函数变为二阶形式。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)中得到二阶形式的跟踪微分器传递函数，具体为：
二阶形式的跟踪微分器传递函数如下：
Figure BDA0002684791010000043
Figure BDA0002684791010000044
其中，R1、k1、k2为第一跟踪微分器的系统参数，R2、k3、k4为第二跟踪微分器的系统参数，且
Figure BDA0002684791010000045
2ξωn＝k2R。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)中对零点进行配置具体为修改补偿系数。
本发明的该实现上述方法的激光切割随动控制系统中进行自抗扰改进控制的复合跟踪微分器结构，其中包括：
第一跟踪微分器，用于从原始信号中提取光滑跟踪信号作为第二跟踪微分器的补偿量；
第二跟踪微分器，与第一跟踪微分器相连接，用于在复合跟踪微分器中起主导功能；
所述的第一跟踪微分器和第二跟踪微分器根据原始信号的特性分别调整相应参数，满足滤波和微分信号的提取要求。
本发明的该激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的装置，其中所述的装置包括用于存储程序的存储器以及用于执行所述的程序的处理器，以实现上述的基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法。
该计算机可读存储介质中包括程序，所述的程序可被处理器执行以完成上述的基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法。
本发明的具体实施方式中，采用复合跟踪器装置，提供了一种改进的自抗扰控制方法，克服了一般形式跟踪微分器在原始信号跟踪相位滞后和微分信号噪声中存在的矛盾，对跟踪微分器进行了优化。
复合跟踪微分器框图如图1所示，复合跟踪微分器的微分表达式如下，其中v是输入信号，x1,x2为第一跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R1,k1,k2为第一跟踪微分器的系统参数。x3,x4为第二跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R2,k3,k4为第二跟踪微分器的系统参数。
复合跟踪微分器的微分表达式如下，其中v是输入信号，x1,x2为跟踪微分器(I)的跟踪输出和一阶微分输出，R1,k1,k2为跟踪微分器(I)的系统参数。x3,x4为跟踪微分器(II)的跟踪输出和一阶微分输出，R2,k3,k4为跟踪微分器(II)的系统参数。
Figure BDA0002684791010000051
对上述复合跟踪微分器在零初始条件下进行拉斯变换，可以得到复合跟踪微分器中参考信号和跟踪输出传递函数分别为：
Figure BDA0002684791010000052
Figure BDA0002684791010000053
从传递函数可知，使用前馈补偿的方式给系统引入了零点，并且可以通过修改系数补偿系数α对零点进行配置，修改补偿系数就是对零点进行配置的过程，当补偿系数为零则为一般形式的跟踪微分器。对系统而言，零点的配置一方面提升了系统的稳定性，另一方面系统的响应速度也相应提高，有利于降低跟踪信号的相位滞后。
设补偿系数α＝0，则跟踪微分器传递函数变为二阶环节形式，
Figure BDA0002684791010000054
Figure BDA0002684791010000055
从参数调试的角度看，
Figure BDA0002684791010000061
k2R＝2ξωn。二阶系统的固有频率和阻尼系数决定了二阶系统性能。
对复合跟踪微分器而言，两个跟踪器的作用不相同。跟踪微分器(I)主要的作用是从原始信号中提取光滑跟踪信号作为跟踪微分器(II)的补偿量，跟踪微分器(II)在复合跟踪微分器中起主导作用，在设计的过程中，需要根据原始信号的特性分别调整相应跟踪微分器(I)和跟踪微分器(II)的参数。满足滤波和微分信号的提取要求。
本发明的实施例如图2所示，涉及平台为NCStutio，涉及到的硬件包括：运动控制卡、伺服电机、电容放大器、EX33A控制电路、传动、电机、驱动器等。
具体实时过程如下：
通过平台NCStudio进行人机交互，完成相关的参数设置和启停动作的执行。跟踪微分器运行于EX33A中，开启跟随之后，EX33A对电容式位移传感器所检测的电容频率信号进行处理，并将电容频率转换为切割头和板材间距离信号。复合跟踪微分器根据处理完成之后的距离信号输出其跟踪(位置)信号以及微分(速度)信号。并将其作为其他相关控制过程的输入参考，包括状态观测器、线性状态偏差组合等。
采用了本发明的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法、复合跟踪微分器结构、装置及计算机可读存储介质，相比较于常用的跟踪微分器，复合跟踪微分器能够更好地平衡跟踪相位滞后以及微分信号提出中噪声放大的问题。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)由第一跟踪微分器和第二跟踪微分器组成复合跟踪微分器，得到复合跟踪微分器的微分表达式；
(2)对复合跟踪微分器在零初始条件下进行拉斯变换，得到参考信号和跟踪输出传递函数；
(3)通过前馈补偿的方式引入零点，并通过修改系数补偿系数α对零点进行配置。
2.根据权利要求1所述的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中得到复合跟踪微分器的微分表达式，具体为：
复合跟踪微分器的微分表达式如下：
Figure FDA0002684790000000011
其中，v是输入信号，x1,x2为第一跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R1,k1,k2为第一跟踪微分器的系统参数，x3,x4为第二跟踪微分器的跟踪输出和一阶微分输出，R2,k3,k4为第二跟踪微分器的系统参数。
3.根据权利要求1所述的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中得到参考信号和跟踪输出传递函数，具体为：
参考信号和跟踪输出传递函数如下：
Figure FDA0002684790000000012
Figure FDA0002684790000000013
其中，R1、k1、k2为第一跟踪微分器的系统参数，R2、k3、k4为第二跟踪微分器的系统参数。
4.根据权利要求1所述的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)还包括以下步骤：
在补偿系数α为0的情况下，将跟踪微分器传递函数变为二阶形式。
5.根据权利要求4所述的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中得到二阶形式的跟踪微分器传递函数，具体为：
二阶形式的跟踪微分器传递函数如下：
Figure FDA0002684790000000021
Figure FDA0002684790000000022
其中，R1、k1、k2为第一跟踪微分器的系统参数，R2、k3、k4为第二跟踪微分器的系统参数，且
Figure FDA0002684790000000023
2ξωn＝k2R。
6.根据权利要求1所述的激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中对零点进行配置具体为修改补偿系数。
7.一种用于实现权利要求1的方法的激光切割随动控制系统中进行自抗扰改进控制的复合跟踪微分器结构，其特征在于，所述的结构包括：
第一跟踪微分器，用于从原始信号中提取光滑跟踪信号作为第二跟踪微分器的补偿量；
第二跟踪微分器，与第一跟踪微分器相连接，用于在复合跟踪微分器中起主导功能；
所述的第一跟踪微分器和第二跟踪微分器根据原始信号的特性分别调整相应参数，满足滤波和微分信号的提取要求。
8.一种激光切割随动控制系统中基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的装置，其特征在于，所述的装置包括用于存储程序的存储器以及用于执行所述的程序的处理器，以实现权利要求1至6中任一项所述的基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，所述的程序可被处理器执行以完成权利要求1至6中任一项所述的基于复合跟踪微分器实现自抗扰改进控制的方法。
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