[发明专利]一种直流电机的改进型自抗扰位置控制器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于工业过程控制技术领域，具体涉及一种直流电机的改进型自抗扰位置控制器结构及设计方法。

背景技术

在控制系统中，直流电机是常见的执行机构，比如倒立摆控制系统需要电机驱动皮带传动、机器人关节等。电机位置或角度是电机的一个重要输出量，是实际系统中经常需要的控制量。在很多的实际生产中，需要电机在一定时间内达到某一稳定位置，而自抗扰控制器凭借其不需要被控对象的精确模型和可以补偿整体扰动等特点，使其对直流电机位置控制的研究具有最直接的现实意义。

自抗扰控制器是由韩京清先生提出的，其核心是把被控对象化为简单的“积分串联型”来控制，把对象中异于“积分串联型”的部分当成“总扰动”来进行处理。其克服了PID(Proportion Integration Differentiation)控制中误差与微分信号处理的不完善和积分反馈对闭环系统的副作用。在ADRC(Active Disturbance Rejection Control)技术诞生之初，由于控制器中ESO(Extended state observer)收敛性和稳定性等问题一直未被普及，直到黄一等人从“自稳定域”的角度分析了二阶ESO的估计误差及其收敛性,二阶ADRC的相关分析才得到进一步完善与普及。自抗扰控制技术最初被应用于工业，尤其在二阶ADRC完善后，其被广泛的应用在电机调速系统、时变、高度耦合系统中。在2002年，美国航空航天局利用ADRC技术解决了空间飞行器电力管理分配系统中存在的问题；2004年，国家航空航天局利用自抗扰技术对喷气发动机进行控制，其将设计参数从100多个减至5、6个进一步降低了设计难度；同时，其在精密控制、磁悬浮系统、运动控制、信号处理等方面正在进行大量研究应用。

在实际的应用中，虽然利用ADRC技术能够很好的实现控制效果，但是，其在对直流电机位置转动很大角度的控制中，当系统的误差过大且增益过低时，系统不能快速响应、控制量无法对系统起到控制效果。

发明内容

本发明根据现用背景技术的不完善与不足，对无刷直流电机实现了二阶自抗扰控制以及对自抗扰控制器中扩张状态观测器里的fal函数进行改进，在保证系统稳定的基础上，克服了传统方法中当系统误差过大且增益过低时无法及时控制的难题。

为了实现以上的技术目的，本发明将采取以下技术方案：

一种直流电机的改进型自抗扰位置控制器，以直流电机为被控对象，输出位置信号为被控变量，包括跟踪微分器、非线性状态误差反馈、扩张状态观测器和扰动补偿；跟踪微分器的输入端为期望输入信号；跟踪微分器的两个输出端分别与扩张状态观测器的两个输出端相连，得到误差与微分的误差；非线性状态误差反馈的两个输入端是误差与微分的误差，得到前馈控制量；扰动补偿是非线性状态误差反馈输出端的前馈控制量与扩张状态观测器中另一个输出端相连，扰动补偿得到最终控制量；扩张状态观测器中对fal函数进行改进，利用误差阀值e_c在fal函数的非线性反馈中增加线性反馈区域来改变函数结构，扩张状态观测器的两个输入端分别为扰动量与输出位置信号；

被控对象无刷直流电机，其对电机输出位置控制的状态模型是：

式中，x₁＝θ，θ为电机转过角度，x₂＝ω，ω为电机角速度；

k_e是反电动势系数，k_m是电机转矩常数，T_L为负载转矩,R_m是电枢电阻，J是负载与转子的转动惯量，k_e、k_m、T_L、R_m和J均属于常数集；y为输出位置信号。

一种直流电机的改进型自抗扰位置控制器的设计方法，包括以下步骤：

A、跟踪微分器的设计：

二阶跟踪微分器是使用离散的最速跟踪微分器对信号进行处理，目标是快速无超调的跟踪输入信号，同时给出良好的微分信号，其输入端为期望输入信号r；

所述的期望输入信号r经过以下公式的计算：