[发明专利]基于分数阶控制器的直线电机点位控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分数阶控制器的直线电机点位控制装置及方法，属于直线电机运动控制技术领域。

背景技术

直线电机与传统旋转电机相比，取消了中间传动环节，具有结构简单、响应快、精度和效率高等优点，有利于实现高速或低速、高精度等高性能直线运动，在现代工业、民用、医疗、交通和军事等领域具有广泛的应用前景。

但也正是由于缺少中间传动环节的缓冲作用，直线电机更容易受到系统参数变化、摩擦力和负载扰动力等因素影响，尤其是系统非线性因素和不确定干扰，给直线电机的精密点位控制增加很大的难度。

近年来，越来越多的先进控制算法被引入到直线电机的运动控制研究中，来获得良好的控制性能，如迭代学习控制、自适应鲁棒控制、自抗扰控制和分数阶控制等，分数阶微积分理论虽然起源于300多年前，但近年来才开始引起控制工程界的广泛关注。与同类型整数阶控制器相比，分数阶控制器由于具有更多的可调参数，控制器设计灵活性更大，因此可以使系统获得更好的控制性能，尤其是存在不确定扰动作用和非线性因素等的复杂控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够抑制直线电机控制系统存在的系统参数变化、摩擦力、负载扰动力以及系统非线性因素和不确定干扰等因素的影响，实现直线电机精密定位控制的基于分数阶控制器的直线电机点位控制装置及方法。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种基于分数阶控制器的直线电机点位控制装置，装置包括分数阶控制器、驱动模块、直线电机和传感模块；分数阶控制器的输入端为装置的输入端，分数阶控制器的输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与直线电机的输入端连接，直线电机的输出端与传感模块的输入端连接，传感模块的输出端与分数阶控制器的输入端连接。

本发明的进一步改进在于：分数阶控制器包括跟踪微分器、第一作差模块、分数阶比例微分器、第二作差模块和状态观测器；跟踪微分器的输入端为分数阶控制器的输入端，跟踪微分器的输出端与第一作差模块的输入端连接，第一作差模块的输出端与分数阶比例微分器的输入端连接，分数阶比例微分器的输出端与第二作差模块的输入端连接，第二作差模块的输出端分别与驱动模块的输入端和状态观测器的输入端连接，状态观测器的输入端与传感模块的输出端连接，状态观测器的输出端分别与第一作差模块和第二作差模块的输入端连接。

本发明的进一步改进在于：第一作差模块包括三个输入端，第一作差模块的三个输入端分别接收直线电机的目标位置信号和状态观测器的两个输出信号。

基于分数阶控制器的直线电机点位控制方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)，传感模块采集直线电机的实际运动位置x；

步骤(2)，分数阶控制器接收直线电机的目标位置x_d，利用步骤(1)中所述直线电机实际运动位置x和所述目标位置x_d，分数阶控制器输出控制量u；

步骤(3)：将步骤(2)所述控制量u发送到驱动模块，所述驱动模块控制直线电机的运行。

步骤(2)具体包括以下步骤：

步骤(201)，跟踪微分器接收被跟踪的直线电机的目标位置x_d并进行处理，所述跟踪微分器处理公式为式(1)：

其中，x_d为目标位置，k为第k个采样时刻，h为采样周期，x₁为目标位置x_d的过渡过程，x₂为x₁的微分，fhan(x₁(k)-x_d(k),x₂(k),r,h₀)的表达式为式(2)：

其中，r和h₀是参数，d和a的表达式为式(3)：

步骤(202)，状态观测器计算z₁、z₂和z₃，具体计算公式为式(4)；