CN117318555B - 一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法 - Google Patents

一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，包括：获取直线电机运动系统的位置输入信号和测量输出信号；调用基于直线电机时滞模型构建的预估扩张状态观测器，根据总控制信号和测量输出信号获取总扰动估计信号和总扰动微分估计信号，进而计算总扰动超前补偿信号；通过根据总扰动补偿后的系统构建的Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号；通过自适应内模控制器根据位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号计算初始控制信号；根据初始控制信号和总扰动超前补偿信号计算总控制信号，输出与总控制信号对应的驱动信号至直线电机运动系统的驱动端，以调节直线电机运动，提高了直线电机运动系统的定位精度以及抗干扰能力。

Description

一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法
技术领域
本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法。
背景技术
永磁同步直线电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）具有高速、高加速、高响应的运动特性，被广泛应用于微电子封装精密运动控制系统中。然而，由于PMLSM缺少中间传动机构，加上自身受到强耦合、时滞等非线性的影响，导致直线电机伺服系统受到的内外扰动将直接作用在电机动子上，严重影响直线电机的运动精度。为提高高动态工况下直线电机的抗干扰能力和定位精度，扰动补偿和闭环控制策略一直是直线电机伺服系统研究的重点和难点。
目前，PID控制仍然是直线电机伺服系统控制领域的主流方法，其“基于误差消除误差”的控制思想使其具有结构简单和易实现等特点。但是，PID具有快速性和超调的矛盾，无法满足高动态工况下直线电机伺服系统的高精度快速定位要求。另外，PID作为单自由度控制器，不具有扰动补偿功能，因此对于干扰的抑制能力较差。自抗扰控制技术作为一种新型控制技术，其核心是设计一种扩张状态观测器对被控对象各阶运动状态以及总扰动进行实时估计，从而获得控制系统的强抗干扰性能。现有自抗扰控制技术中还提出基于已知模型信息的扩张状态观测器，并基于带宽法将自抗扰控制的参数减小到2个。然而，这种方法不能动态调节运动误差与控制增益的关系，因此牺牲了一定的控制性能，无法满足直线电机高精度的控制需求。
发明内容
本申请提供了一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，用于提高直线电机运动系统的定位精度以及抗干扰能力。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，包括：
获取直线电机运动系统的位置输入信号和测量输出信号；
调用基于直线电机时滞模型所构建的预估扩张状态观测器，根据总控制信号和测量输出信号获取总扰动估计信号和总扰动微分估计信号；
根据总扰动估计信号和总扰动微分估计信号计算总扰动超前补偿信号；
通过总扰动超前补偿信号对直线电机运动系统进行总扰动补偿，通过根据总扰动补偿后的直线电机运动系统构建的Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号；
通过基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器根据位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号计算初始控制信号；
根据初始控制信号和总扰动超前补偿信号计算总控制信号，输出与总控制信号对应的驱动信号至直线电机运动系统的驱动端，以调节直线电机运动。
可选的，所述直线电机时滞模型为：
；
其中，为测量输出信号/>的一阶微分，/>为测量输出信号/>的二阶微分，/>为总控制信号，/>为系统增益，/>为模型参数，/>为时滞大小，/>为包括内部扰动和外部扰动的总扰动信号。
可选的，所述调用基于直线电机时滞模型所构建的预估扩张状态观测器，根据总控制信号和测量输出信号获取总扰动估计信号和总扰动微分估计信号，包括：
将总控制信号和测量输出信号输入到基于直线电机时滞数学模型所构建的预估扩张状态观测器中进行计算，输出总扰动估计信号和总扰动微分估计信号，所述预估扩张状态观测器的表达式为：
；
其中，为输出位置估计信号，/>为速度估计信号，/>为总扰动估计信号，/>为总扰动微分估计信号，/>、/>、/>和/>为预估扩张状态观测器的观测增益。
可选的，所述预估扩张状态观测器的观测增益的整定公式为：
；
其中，为观测带宽。
可选的，所述总扰动超前补偿信号的计算公式为：
；
其中，为总扰动超前补偿信号。
可选的，所述总扰动补偿后的直线电机运动系统的数学模型为：
；
其中，为初始控制信号，/>为补偿后的剩余扰动；
相应的，所述通过根据总扰动补偿后的直线电机运动系统构建的Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号，包括：
采用传递函数形式对总扰动补偿后的直线电机运动系统的数学模型进行转换，得到总扰动补偿后的直线电机运动系统的传递函数形式：
；
其中，、/>和/>分别为/>、/>和/>的频域表示，为系统名义模型；
基于总扰动补偿后的直线电机运动系统的传递函数形式构建Smith预估器，通过Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号。
可选的，所述无时间滞后的位置反馈信号的计算公式为：
；
其中，为无时间滞后的位置反馈信号的频域表示。
可选的，所述通过基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器根据位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号计算初始控制信号，包括：
将位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号代入基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器的控制律公式中进行计算，得到初始控制信号，所述自适应内模控制器的控制律公式为：
；
其中，为初始控制信号，/>为位置输入信号/>的一阶微分，/>为无时间滞后的位置反馈信号的时域表示/>的一阶微分；/>、/>和/>为自适应内模控制器的非线性控制增益。
可选的，所述非线性控制增益的离散计算公式如下：
；
其中，，/>为运动误差的离散表示，/>为位置输入信号的离散表示，/>为无时间滞后的位置反馈信号的离散表示；/>、/>和/>分别为非线性比例增益/>、非线性积分增益/>和非线性微分增益/>的控制增益初始值，/>为离散步长。
可选的，所述总控制信号的计算公式为：
；
其中，为总控制信号，/>为初始控制信号，/>为系统增益，/>为总扰动超前补偿信号。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，包括：获取直线电机运动系统的位置输入信号和测量输出信号；调用基于直线电机时滞模型所构建的预估扩张状态观测器，根据总控制信号和测量输出信号获取总扰动估计信号和总扰动微分估计信号；根据总扰动估计信号和总扰动微分估计信号计算总扰动超前补偿信号；通过总扰动超前补偿信号对直线电机运动系统进行总扰动补偿，通过根据总扰动补偿后的直线电机运动系统构建的Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号；通过基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器根据位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号计算初始控制信号；根据初始控制信号和总扰动超前补偿信号计算总控制信号；输出与总控制信号对应的驱动信号至直线电机运动系统的驱动端，以调节直线电机运动。
本申请中，基于直线电机时滞模型设计的预估扩张状态观测器能够准确估计直线电机运动系统的总扰动及其微分信号，通过对总扰动信号进行超前补偿使直线电机运动系统具有良好的抗干扰性能，并根据补偿后的直线电机运动系统设计Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号，基于非线性控制增益设计自适应内模控制器，以动态调节控制增益与运动误差的关系，极大地提高了直线电机的定位性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法的一个流程示意图；
图2为本申请实施例提供的基于扰动补偿的直线电机自适应控制原理图；
图3为本申请实施例提供的定位响应曲线对比图；
图4为本申请实施例提供的定位误差曲线对比图；
图5为本申请实施例提供的外部阶跃扰动信号图；
图6为本申请实施例提供的外部阶跃扰动信号作用下的位置响应曲线对比图；
图7为本申请实施例提供的外部正弦扰动信号图；
图8为本申请实施例提供的正弦扰动信号作用下的位移响应曲线对比图；
图9为本申请实施例提供的正弦扰动信号作用下的位移响应曲线对比图的放大图。
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。
为了便于理解，请参阅图1，本申请实施例提供了一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，包括：
步骤101、获取直线电机运动系统的位置输入信号和测量输出信号。
步骤102、调用基于直线电机时滞模型所构建的预估扩张状态观测器，根据总控制信号和测量输出信号获取总扰动估计信号和总扰动微分估计信号。
本申请实施例中，直线电机时滞模型为：
；
其中，为测量输出信号/>的一阶微分，/>为测量输出信号/>的二阶微分，/>为总控制信号，/>为系统增益，/>为模型参数，/>为时滞大小，/>为包括内部扰动和外部扰动的总扰动信号。
基于直线电机时滞数学模型所构建的预估扩张状态观测器的表达式为：
；
其中，为输出位置估计信号，/>为速度估计信号，/>为总扰动估计信号，/>为总扰动微分估计信号，/>、/>、/>和/>为预估扩张状态观测器的观测增益。
进一步，预估扩张状态观测器的观测增益的整定公式为：
；
其中，为观测带宽。通过上述的整定公式对预估扩张状态观测器的观测增益进行整定。
基于直线电机时滞数学模型构建得到预估扩张状态观测器后，将总控制信号和测量输出信号输入到预估扩张状态观测器中进行计算，输出位置估计信号、速度估计信号、总扰动估计信号和总扰动微分估计信号。
步骤103、根据总扰动估计信号和总扰动微分估计信号计算总扰动超前补偿信号。
根据总扰动估计信号和总扰动微分估计信号计算总扰动超前补偿信号，即：
；
其中，为总扰动超前补偿信号。
步骤104、通过总扰动超前补偿信号对直线电机运动系统进行总扰动补偿，通过根据总扰动补偿后的直线电机运动系统构建的Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号。
通过总扰动超前补偿信号对直线电机运动系统的总扰动信号进行总扰动补偿，得到总扰动补偿后的直线电机运动系统的数学模型为：
；
其中，为初始控制信号，/>为补偿后的剩余扰动；
采用传递函数形式对总扰动补偿后的直线电机运动系统的数学模型进行转换，得到总扰动补偿后的直线电机运动系统的传递函数形式：
；
其中，、/>和/>分别为/>、/>和/>的频域表示，为系统名义模型；
基于总扰动补偿后的直线电机运动系统的传递函数形式构建Smith预估器，通过Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号，无时间滞后的位置反馈信号的计算公式为：
；
其中，为无时间滞后的位置反馈信号的频域表示。
步骤105、通过基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器根据位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号计算初始控制信号。
将位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号代入基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器的控制律公式中进行计算，得到初始控制信号，自适应内模控制器的控制律公式为：
；
其中，为初始控制信号，/>为位置输入信号/>的一阶微分，/>为无时间滞后的位置反馈信号的时域表示/>的一阶微分；/>、/>和/>为自适应内模控制器的非线性控制增益。
非线性控制增益的离散计算公式如下：
；
其中，，/>为运动误差的离散表示，/>为位置输入信号的离散表示，/>为无时间滞后的位置反馈信号的离散表示；/>、/>和/>分别为非线性比例增益/>、非线性积分增益/>和非线性微分增益/>的控制增益初始值，/>为离散步长。
控制增益初始值通过以下公式计算：
；
其中，为自适应内模控制器的调节因子。
步骤106、根据初始控制信号和总扰动超前补偿信号计算总控制信号，输出与总控制信号对应的驱动信号至直线电机运动系统的驱动端，以调节直线电机运动。
根据初始控制信号和总扰动超前补偿信号计算总控制信号，得到的总控制信号为：
；
其中，为总控制信号，/>为初始控制信号，/>为系统增益，/>为总扰动超前补偿信号。
在计算得到总控制信号后，输出与总控制信号对应的驱动信号至直线电机运动系统的驱动端，以调节直线电机运动。
请参考图2提供的基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法的控制原理图，本申请实施例在对总扰动准确估计和超前补偿的基础上，根据运动误差大小自动匹配控制增益，进而有效提高直线电机运动系统的响应性能、定位精度以及抗干扰能力。在采用本申请实施例中的基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法与PID方法、已有的ADRC方法进行对比，得到了如图3所示的定位响应曲线对比图和图4所示的定位误差曲线对比图，通过图3和图4可知，PID控制方法具有较大的超调和调节时间，已有ADRC方法超调和调节时间均有所减小，而本申请方法能够快速无超调地到达目标位置。
在本申请实施例提供的基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法以及PID方法、已有的ADRC方法基础上施加如图5所示的外部阶跃扰动信号，得到本申请方法和PID方法、已有的ADRC方法在外部阶跃扰动信号作用下的位置响应曲线对比图如图6所示，由图6可知，对于突然施加的外部阶跃扰动，PID方法和已有ADRC方法的抗干扰能力都较差，而本申请方法能够快速抑制扰动带来的运动误差，具有较强的抗干扰能力。
在本申请实施例提供的基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法以及PID方法、已有的ADRC方法基础上施加如图7所示的外部正弦扰动信号，得到本申请方法和PID方法、已有的ADRC方法在正弦扰动信号作用下的位移响应曲线对比图如图8所示，为了方便查看，对在正弦扰动信号作用下的位移响应曲线对比图进行放大，得到如图9所示的放大图，由图8和图9可知，对于施加的外部正弦扰动，本申请方法的扰动抑制能力最强，能够使扰动引起的误差保持在一个较小的范围。
本申请实施例中，基于直线电机时滞模型设计的预估扩张状态观测器能够准确估计直线电机运动系统的运动状态、总扰动及其微分信号，通过对总扰动信号进行超前补偿使直线电机运动系统具有良好的抗干扰性能，并根据补偿后的直线电机运动系统设计Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号，基于非线性控制增益设计自适应内模控制器，以动态调节控制增益与运动误差的关系，极大地提高了直线电机的定位性能。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，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，包括若干指令用以通过一台计算机设备（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 (4)

1.一种基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，其特征在于，包括：
获取直线电机运动系统的位置输入信号和测量输出信号；
调用基于直线电机时滞模型所构建的预估扩张状态观测器，根据总控制信号和测量输出信号获取总扰动估计信号和总扰动微分估计信号；
根据总扰动估计信号和总扰动微分估计信号计算总扰动超前补偿信号；
通过总扰动超前补偿信号对直线电机运动系统进行总扰动补偿，通过根据总扰动补偿后的直线电机运动系统构建的Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号；
通过基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器根据位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号计算初始控制信号；
根据初始控制信号和总扰动超前补偿信号计算总控制信号，输出与总控制信号对应的驱动信号至直线电机运动系统的驱动端，以调节直线电机运动；
所述直线电机时滞模型为：
；
其中，为测量输出信号/>的一阶微分，/>为测量输出信号/>的二阶微分，/>为总控制信号，/>为系统增益，/>为模型参数，/>为时滞大小，/>为包括内部扰动和外部扰动的总扰动信号；
所述调用基于直线电机时滞模型所构建的预估扩张状态观测器，根据总控制信号和测量输出信号获取总扰动估计信号和总扰动微分估计信号，包括：
将总控制信号和测量输出信号输入到基于直线电机时滞数学模型所构建的预估扩张状态观测器中进行计算，输出总扰动估计信号和总扰动微分估计信号，所述预估扩张状态观测器的表达式为：
；
其中，为输出位置估计信号，/>为速度估计信号，/>为总扰动估计信号，/>为总扰动微分估计信号，/>、/>、/>和/>为预估扩张状态观测器的观测增益；
所述总扰动超前补偿信号的计算公式为：
；
其中，为总扰动超前补偿信号；
所述总扰动补偿后的直线电机运动系统的数学模型为：
；
其中，为初始控制信号，/>为补偿后的剩余扰动；
相应的，所述通过根据总扰动补偿后的直线电机运动系统构建的Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号，包括：
采用传递函数形式对总扰动补偿后的直线电机运动系统的数学模型进行转换，得到总扰动补偿后的直线电机运动系统的传递函数形式：
；
其中，、/>和/>分别为/>、/>和/>的频域表示，为系统名义模型；
基于总扰动补偿后的直线电机运动系统的传递函数形式构建Smith预估器，通过Smith预估器获取无时间滞后的位置反馈信号；
所述通过基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器根据位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号计算初始控制信号，包括：
将位置输入信号和无时间滞后的位置反馈信号代入基于非线性控制增益构建的自适应内模控制器的控制律公式中进行计算，得到初始控制信号，所述自适应内模控制器的控制律公式为：
；
其中，为初始控制信号，/>为位置输入信号/>的一阶微分，/>为无时间滞后的位置反馈信号的时域表示/>的一阶微分；K p 、K i 和K d 为自适应内模控制器的非线性控制增益；
所述总控制信号的计算公式为：
；
其中，为总控制信号，/>为初始控制信号，/>为系统增益，/>为总扰动超前补偿信号。
2.根据权利要求1所述的基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，其特征在于，所述预估扩张状态观测器的观测增益的整定公式为：
；
其中，为观测带宽。
3.根据权利要求1所述的基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，其特征在于，所述无时间滞后的位置反馈信号的计算公式为：
；
其中，为无时间滞后的位置反馈信号的频域表示。
4.根据权利要求1所述的基于扰动补偿的直线电机自适应控制方法，其特征在于，所述非线性控制增益的离散计算公式如下：
；
其中，，e(k)为运动误差的离散表示，r(k)为位置输入信号的离散表示，/>为无时间滞后的位置反馈信号的离散表示；k p 、k i 和k d 分别为非线性比例增益K p 、非线性积分增益K i 和非线性微分增益K d 的控制增益初始值，k为离散步长。
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