基于变增益自抗扰控制的永磁同步直线电机位置伺服系统.pdf
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1、为提高永磁同步直线电机为提高永磁同步直线电机(PMLSM)位置控制系统的跟踪性能和抗干扰能力,本文提出了基于变增益自抗位置控制系统的跟踪性能和抗干扰能力,本文提出了基于变增益自抗扰控制的扰控制的PMLSM位置伺服系统。首先,位置伺服系统。首先,采用正切采用正切sigmoid函数设计改进微分跟踪器函数设计改进微分跟踪器(ITD),提高系统的跟,提高系统的跟踪性能,并使用终端吸引子函数降低由高频信号引起的颤振现象,使得踪性能,并使用终端吸引子函数降低由高频信号引起的颤振现象,使得ITD抑制噪声能力更强;在扩展抑制噪声能力更强;在扩展状态观测器状态观测器(ESO)的增益项中设计变增益误差校正函数,并
2、将其引入到非线性误差控制律的增益项中设计变增益误差校正函数,并将其引入到非线性误差控制律(NLSEF)中,和中,和ITD一起构成了变增益自抗扰控制器,以减小初始峰值误差,进一步提高系统的跟踪精度和抗干扰性能。一起构成了变增益自抗扰控制器,以减小初始峰值误差,进一步提高系统的跟踪精度和抗干扰性能。仿真和实验结果可以看出,与传统仿真和实验结果可以看出,与传统ADRC相比,新方法的响应时间加快了相比,新方法的响应时间加快了0.65 s,突加负载时调节时间减,突加负载时调节时间减小了小了0.16 s,位置跌落值减小了,位置跌落值减小了96.3%,可有效提高,可有效提高PMLSM位置伺服系统的动态性能、
3、鲁棒性以及运行位置伺服系统的动态性能、鲁棒性以及运行可靠性。可靠性。关键词关键词 永磁同步直线电机,自抗扰技术,位置跟踪控制永磁同步直线电机,自抗扰技术,位置跟踪控制 Variable Gain Active Disturbance Rejection Control for Permanent Magnet Synchronous Linear Motorposition Servo System Chenghao Yuan,Liang Guo School of Information Science and Engineering,Zhejiang Sci-Tech University
4、,Hangzhou Zhejiang Received:May 7th,2023;accepted:Jul.7th,2023;published:Jul.14th,2023 Abstract To improve the tracking performance and anti-disturbance ability of position control system of 袁程浩,郭亮 DOI:10.12677/mos.2023.124331 3596 建模与仿真 permanent magnet synchronous linear motor(PMLSM),a position se
5、rvo system based on variable gain active disturbance rejection control is proposed in this paper.First,the tangent sigmoid func-tion is used to design an improved differential tracker(ITD)to improve the tracking performance of the system,and the terminal function is used to reduce the chatter caused
6、 by high frequency signals,which makes the noise suppression ability of ITD stronger.The variable gain function is designed in the gain term of the extended state observer(ESO)and introduced into the nonlinear stateerror feedback(NLSEF).The variable gain ADRC controller is constructed together with
7、ITD to reduce the initial peak error and further improve the tracking accuracy and anti-disturbance performance of the system.The simulation and experimental results show that compared with the traditional ADRC,the response time of the new method is speed up by 0.65s,the adjustment time of sudden lo
8、ading is reduced by 0.16s,and the position drop value is reduced by 96.3%,which can effectively improve the dynamic performance,robustness and operation reliability of PMLSM po-sition servo system.Keywords Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,Active Disturbance Rejection Control,Position Tracki
9、ng Control Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 永磁同步直线电机(PMLSM)因其结构简单、效率高而在工业上得到了广泛的应用。由于永磁同步电机直接驱动系统消除了中间传动机构,外部负载扰动将直接作用于电机而没有缓冲1,对系统的抗干扰能力和鲁
10、棒性要求较高。为此,各种控制策略被提出并应用于 PMLSM 伺服控制系统,如自适应神经网络控制(ANNC)、模型预测控制(MPC)、鲁棒控制(RC)和自抗扰控制(ADRC)。ANNC 具有鲁棒性强、不需要精确的数学模型等优点,但其复杂的结构难以在实际工业生产中应用2。MPC 具有动力学速度快、设计概念直观等优点,但其计算过程较为复杂3。RC 以不需要精确的过程模型而闻名,但由于它通常不在最佳状态下工作,因此稳态精度很低4。ADRC 因其不依赖于目标模型的精度,通过实时分析和估计系统的状态变量,对系统的干扰和噪声进行有效抑制,从而能够有效提高系统的跟踪精度和鲁棒性5。为进一步提高系统的鲁棒性,文
11、献6提出一种新型非线性 ADRC(NLADRC),NLADRC 采用传统线性函数与非线性函数级联构造。级联后的 NLESO 有效地减小了稳态误差和动态误差。文献7采用了一种基于降阶扩展状态观测器的 ADRC,抑制系统受到的干扰。通过对 ESO 进行线性化,采用极点配置方法构建降低调节参数数量和相位滞后影响的降阶 ESO,实验证明,该方法在多种工况下均能提高控制精度和抗干扰能力,但是线性 ADRC 的控制效果受到带宽的限制。文献8设计了一种滑模自抗扰控制(ADR-SMC)策略。基于内部扰动的上界设计了一种快速响应的 SMC,然后设计一种线性 LESO,在不需要精确数学模型的情况下实时估计系统内部
12、扰动。实验结果表明 ADR-SMC 具有更好的跟踪精度和抗扰动性。文献9提出一种改进变结构自抗扰控制器,通过在变结构 ESO 中引入位置与速度的观测误差,采用基于指数趋近律设计 NLSEF,进而实现观测器的无差估计使系统快速到达滑模面后平滑过渡,进一步提高系统的跟踪性能。实验结果验证改进变结构自抗扰控制器具有更强的鲁棒性和更好的控制精度。文献10提出一种基于高增益非线性的自抗扰控制方法(HNLADRC)。通过分析 ADRC 技术的线性和非线性Open AccessOpen Access袁程浩,郭亮 DOI:10.12677/mos.2023.124331 3597 建模与仿真 误差衰减函数的局
13、限性,设计了高增益非线性误差衰减函数,构建出高增益扩展状态观测器(HNLESO)和高增益非线性误差反馈律(HNLEFL)。实验结果表明该方法可以获得更快的响应能力,然而一定程度上牺牲了系统的稳定性。综上所述,为提高控制器跟踪精度,抑制峰值误差现象,本文提出了一种变增益自抗扰控制器的PMLSM 位置伺服系统。首先引入 sigmoid 函数和终端吸引子函数替换最优控制函数,构建了改进微分跟踪器(ITD)。其次,设计了变增益误差校正函数,利用变增益误差校正函数替换传统自抗扰控制的非线性函数,构造出变增益 ADRC 位置控制器,通过 Matlab/Simulink 搭建 PMLSM 变增益 ADRC
14、位置控制模型,仿真分析验证变增益自抗扰控制器的跟踪精度和稳定性。最后为进一步验证新方法的可行性,基于Speedgoat 半实物实验平台对算法进行实验验证。2.PMLSM 数学模型数学模型 假设:不计电机的涡流损耗与磁滞损耗、忽略直线电机交直轴间的互感效应、设定直轴和交轴的电感值相同,则在 d-q 坐标系下 PMLSM 数学模型可以表示为:1132dddqqqqdfnfLqviuRiLiLvviuRiLiLpFBsivMMM=+=+=(1)式中,du,qu为 dq 轴电压,di,qi为 dq 轴电流,L 为 dq 轴电感,R 为定子电阻,v 为动子移动速度,为磁间距,f为磁链,M 为动子质量,B
15、 为粘滞摩擦系数,LF为系统的内外总扰动。3.变增益自抗扰控制器设计变增益自抗扰控制器设计 Figure 1.Control block diagram of ADRC 图图 1.ADRC 控制框图 自抗扰控制器(ADRC)通常由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和状态误差反馈控制律(NLSEF)三部分组成11,图 1 为标准一阶自抗扰控制系统框图。其中,TD 环节通过系统输入产生多路信号,其中一路用于跟踪给定系统输入信号,而其他多路生成微分信号,以安排信号过渡过程;ESO 是 ADRC 控制器的核心,其基本思想是将系统内部和外部的各种扰动归纳为系统的总扰动12,通过采集被控对象和控
16、制器的输出信息,计算出被控对象的非线性微分状态变量以及内外总扰动的估计值,并反馈至回路中袁程浩,郭亮 DOI:10.12677/mos.2023.124331 3598 建模与仿真 进行相应的计算补偿13。NLSEF 环节基于 TD 的过程过渡信息和 ESO 估计出的被控对象状态信号进行非线性计算,产生一个误差量作为控制信号,反馈给被控对象,从而增强系统鲁棒性14。然而标准的 ADRC 中微分跟踪器存在相位延迟和滤除噪声能力较差,且扩张状态观测器存在初始峰值误差的问题,导致当输出测量值受噪声干扰时,控制器无法准确观测 PMLSM 的状态变量和受到的外部扰动。3.1.改进微分跟踪器的设计改进微分
17、跟踪器的设计 3.1.1.加速度函数的选取加速度函数的选取 本文基于神经网络中广泛使用的 sigmoid 激励函数的特性,提出了一种简单易调参的改进跟踪微分器(ITD)。ITD 利用正切 sigmoid 函数和幅度因子 设计加速度函数,幅度调节因子 用于调节加速度函数近似线性区间的宽度,则函数表达式如下式所示:()()22tan11exsig x=+(2)Figure 2.The change process of acceleration function 图图 2.加速度函数变化过程 幅度调节因子取不同值时,tansig 函数变化曲线如图 2 所示。可以看出:当 x 趋近于 0 时,函数表
18、现出较好的线性特性,且 x 的值越小,函数近似线性区间的宽度越大。当 x 的值较大时,该函数在范围内呈现饱和特性。因此该函数具有全局光滑的特性。通过使用 tansig 函数作为跟踪微分器的基本函数,可以加速全局收敛速度,使跟踪输出更加平滑,抑制高频颤振。3.1.2.ITD 的设计的设计 同时,本文借鉴滑模控制理论中降低抖振的方法,将终端吸引子函数引入跟踪微分器结构中,进一步抑制了高频信号引起的颤振。本文提出的 ITD 的具体表达式为:()()()()()()()()()122*211111223tantanbx txtxtkl x txtsigx txtlsig xtk=(3)袁程浩,郭亮 D
19、OI:10.12677/mos.2023.124331 3599 建模与仿真 式中,()*1xt为位置给定信号,()1x t为位置跟踪信号,()2xt为微分信号。式(3)采用终端吸引函数b,bq p=,其参数值与终端滑模控制类似,终端滑模可以减弱颤振。因此,使用终端吸引函数可以减弱颤振,提高跟踪微分器的对噪声的抑制能力。K,1l,2l,为待调参数。为验证改进微分跟踪器的滤波性能,设输入信号为()()()0sin 5vttt=+,()t为白噪声信号,均值为 0,方差为 0.01,采样步长取 0.001 s。图 3(a)是输入信号曲线,图 3(b)是两种微分跟踪器得到的跟踪信号曲线,图 4 是两种
20、方法的跟踪误差曲线。(a)(b)Figure 3.(a)Input curve with disturbance;(b)Improved differential tracker tracking curve 图图 3.(a)加入扰动的输入曲线;(b)改进微分跟踪器跟踪曲线 (a)(b)Figure 4.(a)Traditional TD tracking error;(b)Improved TD tracking error 图图 4.(a)传统 TD 跟踪误差;(b)改进 TD 跟踪误差 由图 3 可以看出,改进微分跟踪器由于引入了终端吸引子函数,能够有效地滤波输入信号中的噪声,输出的跟踪
21、信号光滑没有噪声干扰。从图 4 可以看出,ITD 的跟踪误差在0.025 m之间,而传统 TD 跟踪误差为0.15 m,可知 ITD 可以更快速、准确地跟踪输入信号。3.2.变增益扩展状态观测器变增益扩展状态观测器 3.2.1.变增益变增益 ESO 的设计的设计 在其不连续点,会基于切换条件转换为不同的计算公式,而不连续点的不可导性会导致动态增益出现巨大的变动,导致观测出来的估计值产生峰值误差。为解决此问题,本文设计一种误差校正函数,其表达式为:袁程浩,郭亮 DOI:10.12677/mos.2023.124331 3600 建模与仿真 ()()2,arctannfal eee=(4)式中,为
22、误差增益。由反正切函数特性可知,该函数具有连续可导性,即无需根据 e 的大小,切换不同的计算公式。为达到“小误差大增益,大误差小增益”的校正效果,系数选取50,5000=。为了抑制初始峰值,设计三阶变增益 ESO 的表达式如式(5):()()()()111221 1*2322123231,50,5000,50,5000EEqEezyzzezzr t nfal ebizrt nfal e=+=(5)式中,()r t为变增益函数,定义为:()()0.8100,00.01 1,0.01ttr tt=(6)变增益 ESO 的结构框图如图 5 所示:Figure 5.Block diagram of v
23、ariable gain ESO structure 图图 5.变增益 ESO 结构框图 3.2.2.变增益变增益 ESO 的稳定性证明的稳定性证明 为便于公式计算,令:()()()()()()()()1111 11212112 21,50.5000,50.5000,50.5000,50.5000r t fac er t nfal eeG eert fac ert nfal eeG ee=(7)则式(5)可以改写为:111221 1*23221 13232 2EEqEezyzzezzG ebizG e=+=(8)袁程浩,郭亮 DOI:10.12677/mos.2023.124331 3601
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