本發(fā)明屬于屬于直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種基于dob和pfc的直線電機(jī)速度控制方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床大都采用“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的伺服驅(qū)動(dòng)方式，存在效率低、精度難保證及體積大等缺陷，嚴(yán)重制約我國(guó)數(shù)控機(jī)床性能的提升。直線電機(jī)采用“直接驅(qū)動(dòng)”方式省去了復(fù)雜的中間環(huán)節(jié)，具有高速、高精、高效和“零傳動(dòng)”特性，已成為高檔數(shù)控機(jī)床的核心功能部件。

由于直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得直線電機(jī)所固有的動(dòng)子端部效應(yīng)力和齒槽力，以及負(fù)載擾動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化擾動(dòng)和電網(wǎng)擾動(dòng)等不確定影響都將直接作用于電機(jī)的控制過程中，各類干擾嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和可靠性。許多先進(jìn)的控制策略已用于直線電機(jī)的速度控制，如自適應(yīng)控制、魯棒控制、滑?？刂?、智能控制等，這些控制策略從不同方面提高了系統(tǒng)的控制性能。

由于反饋控制總是將系統(tǒng)的輸出反饋和參考輸入作比較后利用偏差進(jìn)行控制，通過抑制偏差來間接抑制干擾，而不是直接針對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償控制，不是一種及時(shí)抗干擾控制方式。對(duì)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器或估計(jì)器，這類觀測(cè)估計(jì)器應(yīng)該是不依賴于精確機(jī)理分析建模的，并且利用觀測(cè)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行前饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)，與反饋控制設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，形成復(fù)合的伺服控制策略。采用復(fù)合控制可以實(shí)現(xiàn)比反饋控制更好的控制效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠在永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)存在負(fù)載變化、系統(tǒng)參數(shù)變化、推力波動(dòng)、摩擦力和外部干擾作用等各類擾動(dòng)影響，降低系統(tǒng)伺服性能。為獲得優(yōu)越的抗干擾能力和滿意的快速動(dòng)態(tài)性能，提出一種基于dob和pfc的直線電機(jī)速度控制方法，該方法通過建立直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器實(shí)時(shí)觀測(cè)外界干擾來進(jìn)行補(bǔ)償控制，將干擾觀測(cè)器與預(yù)測(cè)函數(shù)控制相結(jié)合形成復(fù)合控制，能更好地抑制擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的不利影響。

本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

一種基于dob和pfc的直線電機(jī)速度控制方法，具體包括以下步驟：

步驟一、研究直線電機(jī)工作原理，分析各類干擾對(duì)直線電機(jī)伺服控制性能的影響，建立直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型；

步驟二、在建立直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立干擾觀測(cè)器，提高直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的抗干擾能力；

步驟三、在干擾觀測(cè)器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)反饋控制器，改善直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；

步驟四、建立基于干擾觀測(cè)補(bǔ)償控制和反饋控制的直線電機(jī)復(fù)合控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，使其達(dá)到預(yù)期控制效果，在直線電機(jī)復(fù)合控制系統(tǒng)中，反饋控制采用預(yù)測(cè)函數(shù)控制器。

在上述步驟中，將理論推導(dǎo)和系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)合來確定直線電機(jī)伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)，建立速度環(huán)數(shù)學(xué)模型：

其中，kf為電磁推力系數(shù)，iq為q軸的動(dòng)子電流，fn為總擾動(dòng)，m為直線電機(jī)質(zhì)量，b為粘滯摩擦系數(shù)。

在上述步驟中，通過增加干擾觀測(cè)器并調(diào)整觀測(cè)器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)干擾觀測(cè)和補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的抗干擾性能，設(shè)計(jì)的干擾觀測(cè)器q(s)為：

其中，t為擾動(dòng)觀測(cè)器的時(shí)間常數(shù)。

在上述步驟中，在干擾觀測(cè)器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)反饋控制器，充分發(fā)揮復(fù)合控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制精度。

不考慮外部負(fù)載擾動(dòng)的情況下，電機(jī)速度環(huán)預(yù)測(cè)模型為：

其中，在預(yù)測(cè)函數(shù)控制中，系統(tǒng)的控制輸入為：

其中，μj為線性組合系數(shù)；fj(j＝1,…,n)為基函數(shù)；n為基函數(shù)的個(gè)數(shù)；h為預(yù)測(cè)優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度；

控制輸入u(k)是速度控制器的輸出當(dāng)采用一個(gè)基函數(shù)，即階躍函數(shù)時(shí)，有

通過離散化后，模型的差分方程為：

其中，

則任意h步的預(yù)測(cè)模型輸出為：

優(yōu)化性能指標(biāo)為：

其中，v(k+i)為系統(tǒng)輸出；vr(k+i)為參考軌跡：

其中，v^*(k+i)為在k+i時(shí)刻系統(tǒng)的設(shè)定值；αr為參考軌跡的柔化因子，

ts為采樣周期；tr為期望閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間；v(k)為在k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出；

通過反饋誤差校正系統(tǒng)控制性能，未來誤差為：

e(k+i)＝v(k)-vm(k)

從而得到k時(shí)刻的控制量為：

其中，v^*為速度控制器的階躍設(shè)定值，v為電機(jī)的實(shí)際速度輸出值，vm為電機(jī)預(yù)測(cè)模型的速度輸出值。

本發(fā)明的有益效果：針對(duì)直線電機(jī)伺服系統(tǒng)中存在的各種干擾問題，采用干擾觀測(cè)器和預(yù)測(cè)函數(shù)控制相結(jié)合的復(fù)合控制方案，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和較高的控制精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中直線電機(jī)工作原理示意圖。

圖2是本發(fā)明中基于dob和pfc的直線電機(jī)系統(tǒng)控制方法流程圖。

圖3是本發(fā)明基于dob和pfc的直線電機(jī)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明中空載情況下復(fù)合控制與pfc控制的階躍響應(yīng)比較圖。

圖5是本發(fā)明中在負(fù)載擾動(dòng)下復(fù)合控制與pfc控制的階躍響應(yīng)比較圖。

具體實(shí)施方式

為了加深對(duì)本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，該實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限定。

相對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言，直線電機(jī)是不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，而且在工作原理上也是相似的。直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，直線電機(jī)可以看作由旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿半徑方向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成直線而形成的。由于直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得直線電機(jī)所固有的動(dòng)子端部效應(yīng)力和齒槽力，以及摩擦力、負(fù)載變化、電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化等不確定影響都將直接作用于電機(jī)的控制過程中，降低系統(tǒng)的伺服性能，因此我們提供了一種基于dob和pfc的直線電機(jī)速度控制方法。

本發(fā)明提供的一種基于dob和pfc的直線電機(jī)速度控制方法的流程圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2和3所示，包括以下步驟：

步驟一、研究直線電機(jī)工作原理，分析各類擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，建立直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型：

其中，b為粘滯摩擦系數(shù)；m為直線電機(jī)質(zhì)量；v為直線電機(jī)速度，kf為電磁推力系數(shù)；fn為總擾動(dòng)。

電機(jī)的速度傳遞函數(shù)為：

步驟二、在建立含有擾動(dòng)的直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立干擾觀測(cè)器，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；

干擾觀測(cè)器的設(shè)計(jì)主要是低通濾波器的設(shè)計(jì)，需要考慮低通濾波器的結(jié)構(gòu)和時(shí)間常數(shù)的選取，采用的低通濾波器的表達(dá)式為：

其中，nq為低通濾波器的階次，pq為低通濾波器的相對(duì)階次，fm為低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。由于從電流到速度的傳遞函數(shù)是一階傳遞函數(shù)，因此永磁同步直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為一階模型，則系統(tǒng)名義模型的傳遞函數(shù)為：

其中，mn為等效總質(zhì)量，bn為等效粘滯摩擦系數(shù)。

為了同時(shí)獲得較好的抗干擾能力和抑制測(cè)量噪聲性能，采用的低通濾波器為：

其中，t為干擾觀測(cè)器的時(shí)間常數(shù)。

干擾觀測(cè)器不需要精確的電機(jī)參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)補(bǔ)償，使得干擾觀測(cè)器的設(shè)計(jì)能獨(dú)立于永磁同步直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

步驟三、在干擾觀測(cè)器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)反饋控制器，建立預(yù)測(cè)函數(shù)控制器，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；

不考慮外部負(fù)載擾動(dòng)的情況下，電機(jī)速度環(huán)預(yù)測(cè)模型為：

其中，

在預(yù)測(cè)函數(shù)控制中，系統(tǒng)的控制輸入為：

其中，μj為線性組合系數(shù)；fj(j＝1,…,n)為基函數(shù)；n為基函數(shù)的個(gè)數(shù)；h為預(yù)測(cè)優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度。

控制輸入u(k)是速度控制器的輸出當(dāng)采用一個(gè)基函數(shù)，即階躍函數(shù)時(shí)，有：

通過離散化后，預(yù)測(cè)模型的差分方程為：

其中，

則任意h步的預(yù)測(cè)模型輸出為：

優(yōu)化性能指標(biāo)為：

其中，v(k+i)為系統(tǒng)輸出；vr(k+i)為參考軌跡：

其中，v^*(k+i)為在k+i時(shí)刻系統(tǒng)的設(shè)定值；αr為參考軌跡的柔化因子，ts為采樣周期；tr為期望閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間；v(k)為在k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出。

通過反饋誤差校正系統(tǒng)控制性能，未來誤差為：

e(k+i)＝v(k)-vm(k)

從而得到k時(shí)刻的控制量為：

其中，v^*為速度控制器的階躍設(shè)定值，v為電機(jī)的實(shí)際速度輸出值，vm為電機(jī)預(yù)測(cè)模型的速度輸出值。

步驟四、建立含干擾觀測(cè)器和預(yù)測(cè)函數(shù)控制器的直線電機(jī)復(fù)合控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，使其達(dá)到預(yù)期控制效果。

圖3所示，空載時(shí)兩種控制器的階躍響應(yīng)對(duì)比圖，從圖中可以看出，復(fù)合控制具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

圖4所示，在負(fù)載擾動(dòng)作用下兩種控制器的階躍響應(yīng)對(duì)比圖，從圖中可以看出，復(fù)合控制具有更好地干擾抑制能力。

綜上所述，本發(fā)明在普通預(yù)測(cè)函數(shù)控制器的基礎(chǔ)上引入干擾觀測(cè)器，形成復(fù)合控制器，與普通預(yù)測(cè)函數(shù)控制器相比，基于dob和pfc的直線電機(jī)復(fù)合控制系統(tǒng)能有效抑制干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提供的方法為直線電機(jī)速度跟蹤控制方法奠定了基礎(chǔ)。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。