[發明專利]一種基于可調階次濾波器的分數階自抗擾運動控制方法

有效

• 申請號: 201810268472.3
• 申請日: 2018-03-29
• 公開（公告）號: CN108459507B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 施昕昕;黃家才
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;張賞

本發明公開了一種基于可調階次濾波器的分數階自抗擾運動控制方法，包括：根據牛頓運動定律，建立運動控制系統的非線性動力學模型；使用可調階次濾波器對測量噪聲進行濾波；調節濾波器的階次以達到較好的濾波效果；采用擴張狀態觀測器提高系統的擾動抑制效果；采用分數階比例微分算法，設計運動控制器，使輸出跟蹤參考輸入。本發明方法，具有參數調節靈活、易于工程實現的優點，并有效改善了運動控制系統對測量噪聲和干擾的抑制能力。

技術領域

本發明涉及一種基于可調階次濾波器的分數階自抗擾運動控制方法，屬于運動控制技術領域。

背景技術

運動控制技術在當今工業中應用廣泛，如電機運動控制、數控機床、機器人控制等。運動控制是指對位置/位移、速度、加速度等運動量進行控制。采用電動機作為運動執行器，相比其它類型的運動執行器，具有結構簡單、響應快、精度和效率高等優點，有利于實現高速或低速、高精度等高性能運動控制，在現代工業、民用、醫療、交通和軍事等領域具有廣泛的應用前景。

由于運動控制系統存在摩擦力、系統參數變化、負載擾動力等因素影響，尤其是系統非線性因素(如信號測量噪聲)和不確定干擾，很大程度上影響系統的運動精度。因此對運動控制器的性能提出了很高的要求。

目前，有越來越多的先進控制算法被運用到運動控制研究中，常見的有迭代學習控制、自適應魯棒控制、神經網絡控制和自抗擾控制等，其中自抗擾控制被公認為較為有效的技術。然而，普通自抗擾控制器具有較高的增益，同時會放大測量噪聲，容易對控制性能產生影響。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種基于可調階次濾波器的分數階自抗擾運動控制方法，通過可調階次濾波器對測量噪聲進行濾波，采用分數階比例微分算法，設計運動控制器，使輸出跟蹤參考輸入。

本發明采用如下技術方案解決上述技術問題：

一種基于可調階次濾波器的分數階自抗擾運動控制方法，包括以下步驟：

1)根據牛頓運動定律，建立運動控制系統的非線性動力學模型；

2)設計可調階次濾波器對測量噪聲進行濾波；

3)調節可調階次濾波器的階次；

4)采用擴張狀態觀測器對運動控制系統的外部擾動力進行估計；

5)采用分數階比例微分控制器對外部擾動力估計值進行補償后得出控制量，從而控制被控對象的輸出跟蹤參考輸入。

前述的步驟1)中，運動控制系統的非線性動力學模型為：

其中，u為運動執行器相電壓，即控制量，i為運動執行器相電流；R和L分別為運動執行器相電阻和相電感；m為運動質量，x為運動位移，即狀態變量；K_m和K_e分別為力系數和反電動勢系數；F_f和F_d分別為運動系統摩擦力和外部擾動力；d為微分算子；t表示時間。

前述的步驟2)中，可調階次濾波器設計為：

其中，G為可調階次濾波器的傳遞函數，s為拉普拉斯算子，ω為截止頻率，α為可調參數，2(1-α)即為可調階次濾波器的階次，α的取值范圍為(0,1)范圍內的任意實數。

前述的截止頻率ω為50Hz，可調參數α為0.25。

前述的步驟2)中，測量噪聲為：

其中，A為噪聲幅值，ω_n為角頻率，為相位，B為偏差值。

前述的步驟4)中，擴張狀態觀測器的表達式為：