[发明专利]一种基于可调阶次滤波器的分数阶自抗扰运动控制方法

说明书

本发明公开了一种基于可调阶次滤波器的分数阶自抗扰运动控制方法，包括：根据牛顿运动定律，建立运动控制系统的非线性动力学模型；使用可调阶次滤波器对测量噪声进行滤波；调节滤波器的阶次以达到较好的滤波效果；采用扩张状态观测器提高系统的扰动抑制效果；采用分数阶比例微分算法，设计运动控制器，使输出跟踪参考输入。本发明方法，具有参数调节灵活、易于工程实现的优点，并有效改善了运动控制系统对测量噪声和干扰的抑制能力。

技术领域

本发明涉及一种基于可调阶次滤波器的分数阶自抗扰运动控制方法，属于运动控制技术领域。

背景技术

运动控制技术在当今工业中应用广泛，如电机运动控制、数控机床、机器人控制等。运动控制是指对位置/位移、速度、加速度等运动量进行控制。采用电动机作为运动执行器，相比其它类型的运动执行器，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、高精度等高性能运动控制，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。

由于运动控制系统存在摩擦力、系统参数变化、负载扰动力等因素影响，尤其是系统非线性因素(如信号测量噪声)和不确定干扰，很大程度上影响系统的运动精度。因此对运动控制器的性能提出了很高的要求。

目前，有越来越多的先进控制算法被运用到运动控制研究中，常见的有迭代学习控制、自适应鲁棒控制、神经网络控制和自抗扰控制等，其中自抗扰控制被公认为较为有效的技术。然而，普通自抗扰控制器具有较高的增益，同时会放大测量噪声，容易对控制性能产生影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于可调阶次滤波器的分数阶自抗扰运动控制方法，通过可调阶次滤波器对测量噪声进行滤波，采用分数阶比例微分算法，设计运动控制器，使输出跟踪参考输入。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种基于可调阶次滤波器的分数阶自抗扰运动控制方法，包括以下步骤：

1)根据牛顿运动定律，建立运动控制系统的非线性动力学模型；

2)设计可调阶次滤波器对测量噪声进行滤波；

3)调节可调阶次滤波器的阶次；

4)采用扩张状态观测器对运动控制系统的外部扰动力进行估计；

5)采用分数阶比例微分控制器对外部扰动力估计值进行补偿后得出控制量，从而控制被控对象的输出跟踪参考输入。

前述的步骤1)中，运动控制系统的非线性动力学模型为：

其中，u为运动执行器相电压，即控制量，i为运动执行器相电流；R和L分别为运动执行器相电阻和相电感；m为运动质量，x为运动位移，即状态变量；K_m和K_e分别为力系数和反电动势系数；F_f和F_d分别为运动系统摩擦力和外部扰动力；d为微分算子；t表示时间。

前述的步骤2)中，可调阶次滤波器设计为：

其中，G为可调阶次滤波器的传递函数，s为拉普拉斯算子，ω为截止频率，α为可调参数，2(1-α)即为可调阶次滤波器的阶次，α的取值范围为(0,1)范围内的任意实数。

前述的截止频率ω为50Hz，可调参数α为0.25。

前述的步骤2)中，测量噪声为：

其中，A为噪声幅值，ω_n为角频率，为相位，B为偏差值。

前述的步骤4)中，扩张状态观测器的表达式为：