[发明专利]一种基于Taylor跟踪微分器的直线电机自抗扰控制设计方法

说明书

本发明公开了一种基于Taylor跟踪微分器的直线电机自抗扰控制设计方法。首先利用反馈的位移信息设计Taylor跟踪微分器估计速度信息，然后利用速度信息设计最小阶扩张状态观测器估计直线电机受到的干扰，且闭环反馈控制器选用带前馈补偿的PD控制，充分利用了系统有限的带宽资源，合理地设计了系统状态和干扰的估计方案，有效地提高了直线电机的伺服跟踪精度。

技术领域

本发明属于伺服电机控制技术领域，具体涉及一种基于Taylor跟踪微分器的直线电机自抗扰控制设计方法。

背景技术

PID是伺服电机的一种控制技术，在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例(proportion)、积分(integration)、微分控制(differentiation)，简称PID控制。目前PID在工业中仍然得到广泛的应用，但是在高性能电机控制领域，传统的PID无法满足直线电机的高精度控制要求。

传统的PID控制属于单自由度控制结构，自身存在设计的局限性，无法很好地平衡一些相互冲突的性能。例如为了提高系统的鲁棒性，PID中引入了积分环节，但是积分环节会引起系统的超调影响调节精度，同时还会降低系统的稳定性，近年来，很多学者研究将更先进的控制方法，例如将自抗扰控制应用到直线电机伺服系统中。目前的直线电机自抗扰控制设计方法中，常用三阶扩张状态观测器来同时估计系统的状态和总扰动。但是，这种设计方法存在以下问题：

首先，系统状态和总扰动的特性往往是不同的，系统状态通常是快时变的，而总扰动通常是慢时变的。

其次，用三阶扩张状态观测器来同时估计状态和总扰动，必须将观测器的带宽取得足够大才能够准确估计状态，这对于慢时变总扰动而言是没有必要的，造成有限的带宽资源的浪费；同时，当三阶扩张状态观测器的带宽取得很大时，闭环系统会引入噪声，这不仅会降低系统的控制精度，还会影响系统的稳定性，工程应用中ESO的带宽不会取得很大。

而直线电机在工业生产中得到越来越广泛的应用，相比于传统的旋转电机+丝杠的直线运动结构，直线电机具有更快的速度和精度。但是由于缺乏中间的机械连接装置，直线电机的电磁推力直接作用于负载上，系统更容易受到干扰的影响，鲁棒性较差。因此，如何设计高精度直线电机控制系统是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的技术思路：

由于位移信号是可以直接测量的，因此如何获取高精度的速度信号是提高直线电机控制精度的关键。为了获取高精度的速度信号，我们首先设计一种高精度的速度观测器，然后根据速度估计结果设计干扰观测器估计系统受到的干扰；

本发明提出了一种基于Taylor跟踪微分器的直线电机自抗扰控制设计方法。首先利用反馈的位移信息设计Taylor跟踪微分器估计速度信息，然后利用速度信息设计最小阶扩张状态观测器估计直线电机受到的干扰，闭环反馈控制器选用带前馈补偿的PD控制。

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于Taylor跟踪微分器的直线电机自抗扰控制设计方法，为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于Taylor跟踪微分器的直线电机自抗扰控制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：定义直线电机系统，得到相关的位移信息；

S2：根据得到的位移信息，利用Taylor跟踪微分器得出直线电机动子的速度估计值；

S3：利用得到的速度估计值，定义最小阶扩张状态观测器并计算得出直线电机受到的干扰估计值；

S4：根据所述干扰估计值和速度估计值，定义带前馈补偿的PD控制器。

进一步地，步骤S1中建立的直线电机系统模型为：