具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1和图2，本申请实施例提供的一种用于线电机的自抗扰控制方法，包括：

步骤101、对直线电机的精密运动系统进行模型辨识得到辨识模型后，获取辨识模型的模型参数，根据模型参数建立模型扩张状态观测器、内模PID反馈控制器和扰动补偿器，直线电机的精密运动系统包括驱动器模型。

需要说明的是，通过模型辨识，可以对被控对象的参数进行一个大概的估计，因此本申请首先对包括驱动器模型在内的直线电机精密运动系统进行模型辨识，通过辨识得到的模型参数信息设计模型扩张状态观测器以及内模PID反馈控制器。其中，驱动器模型用于对直线电机进行驱动控制，使得直线电机移动到目标位置。

步骤102、模型扩张状态观测器接收由精密运动系统发送的实际位置信号和总控制量，并基于模型扩张状态观测器方程组，根据实际位置信号和总控制量生成位置估计信号和总扰动估计信号。

可以理解的是，本申请的自抗扰控制方法为不断调整的一个过程，首先模型扩张状态观测器接收由精密运动系统发送的实际位置信号和总控制量，通过模型扩张状态观测器生成位置估计信号和总扰动估计信号，其中位置估计信号输入到内模PID反馈控制器，总扰动估计信号输入到扰动补偿器。

需要说明的是，模型扩张状态观测器方程组可以看作是模型扩张状态观测器，其中，模型扩张状态观测器方程组为：

式中，y为实际位置信号，u为最终控制量，z₁为位置估计信号，z₂为速度估计信号，z₃为总扰动估计信号，l₁、l₂、l₃均为观测器参数，b₀均为辨识参数值。

步骤103、内模PID反馈控制器基于初始控制量计算公式，根据目标位置的指令信号和位置估计信号生成初始控制量，并将初始控制量输入到扰动补偿器中。

可以理解的是，内模PID反馈控制器接收目标位置的指令信号以及由模型扩张状态观测器发送的位置估计信号生成初始控制量，并将初始控制量输入到扰动补偿器中。

需要说明的是，初始控制量计算公式可以看作是内模PID反馈控制器，其中，初始控制量计算公式为：

式中，u₀为初始控制量，r为目标位置指令信号，k_p、k_i、k_d均为控制参数，e(t)为反馈误差，z₁为位置估计信号。

需要说明的是，本实施例将内模PID反馈控制器的内模滤波器设计为一阶惯性环节或者二阶惯性环节。

其中，一阶惯性环节的内模滤波器为：

其中，λ_f为滤波器参数，从而得到控制参数的整定规则为：

式中，b₀、均为辨识参数值，k_p、k_i、k_d均为控制参数，s为频域变量。

其中，二阶惯性环节的内模滤波器为：

其中，λ_s为滤波器参数，从而得到控制参数的整定规则为：

式中，b₀、均为辨识参数值，k_p、k_i、k_d均为控制参数，s为频域变量。

步骤104、扰动补偿器基于最终控制量计算公式，根据总扰动估计信号和初始控制量生成最终控制量。

可以理解的是，扰动补偿器接收由内模PID反馈控制器输入的初始控制量以及由模型扩张状态观测器输入的总扰动估计信号生成最终控制量，并将最终控制量输入到直线电机的精密运动系统中。

需要说明的是，最终控制量计算公式为：

式中，u为最终控制量，z₃为总扰动估计信号，b₀为辨识参数值，u₀为初始控制量。

步骤105、驱动器模型根据最终控制量对直线电机的位置进行调整后，判断直线电机的位置与目标位置是否一致，若是停止计算，否则返回步骤102。

通过直线电机的精密运动系统的驱动器模型，根据最终控制量对直线电机的位置进行调整后，判断直线电机的位置与目标位置是否一致，若是则停止计算过程，否则返回步骤102中继续进行计算直至二者位置一致。

本申请实施例一的用于直线电机的自抗扰控制方法，首先通过对包含驱动器模型的直线电机的精密运动系统进行模型辨识，从而对被控对象的参数进行预估；接着为进一步改善模型扩张状态观测器的估计精度，本申请根据辨识得到的模型参数设计模型扩张状态观测器，实现了系统运动状态和总扰动的准确估计，使得控制系统拥有良好的抗干扰能力；然后基于扰动补偿器通过总扰动估计信号的补偿，将被控对象模型改造成已知的标称模型形式，并根据此模型设计内模PID反馈控制器，通过内模滤波器的参数来调整控制参数，即简化了参数整定，又保证了良好的动态响应性能；从而解决了现有自抗扰控制技术抗干扰能力较差，导致无法控制直线电机运动到精确的位置的技术问题。

以上为本申请实施例提供的一种用于直线电机的自抗扰控制方法的实施例，以下为本申请实施例提供的一种用于直线电机的自抗扰控制方法及相关装置的具体实现步骤的实施例。

本实施例以永磁同步直线电机运动系统为例，首先建立其动力学模型：

其中，m、c和k分别为永磁同步直线电机运动系统的移动质量、等效阻尼系数和伺服刚度，k_m为力常数，x为永磁同步直线电机运动系统的位移，i为永磁同步直线电机的电流。

由于驱动器模型中电流环的伺服带宽远高于控制器中位置环的伺服带宽，为了方便建模，可将电压到电流的关系简化为一个比例增益，即

i＝k_iu；

于是传递函数表示为：

永磁同步直线电机运动系统可简化成一个二阶运动系统，假设其完美模型为：

那么，永磁同步直线电机运动系统方程可表示为：

其中，x₁、x₂分别为位移和速度，f(x₁,x₂,t)为系统内部未知扰动，包括非线性摩擦、未建模动态等，w(t)为外部未知扰动。

步骤(1)、对包括驱动器模型在内的永磁同步直线电机精密运动系统进行模型辨识：

首先通过正弦扫频的频域响应法对包括驱动器模型在内的永磁同步直线电机运动系统进行辨识，得到如下的辨识模型：

其中，b₀，为模型辨识的参数值。

步骤(2)、设计模型状态扩张观测器，根据输入的总控制量和反馈的实际位置信号获取永磁同步直线电机精密运动系统的位置估计信号和总扰动估计信号：

永磁同步直线电机精密运动系统总扰动为令扩张系统状态x₃＝d_t，假设系统总扰动有界且可导，于是永磁同步直线电机精密运动系统扩展为：

并将模型扩张状态观测器设计为如下形式：

其中，z_i,i＝1,2,3分别为x_i,i＝1,2,3的估计值，l_i,i＝1,2,3为观测参数，采用Ackerman公式进行整定。

对于扩展的系统，其状态空间形式为：

其中，

于是，利用Ackerman公式计算得到的整定规则如下：

其中，w₀为观测带宽。

步骤(3)、设计扰动补偿器，根据初始控制量和与总扰动估计信号计算得到最终控制量：

首先将扰动补偿器设计为：

其中，u₀为初始控制量。

于是有，

可见通过模型扩张状态观测器和扰动补偿器，将系统改造成已知的模型辨识形式，并作为控制器设计所依据的标称模型。

步骤(4)、设计内模PID反馈控制器，根据目标位置指令信号和位置估计信号计算初始控制量；

内模PID反馈控制器采用PID控制形式，控制律如下：

其中，r(t)为电机的输入位置参考信号，k_p、k_i、k_d为控制参数，通过内模控制原理进行整定。

若内模滤波器设计为一阶惯性环节：

其中，λ_f为一阶滤波器参数，则内模PID反馈控制器的传递函数为：

于是，控制参数的整定规则为：

若内模滤波器设计为二阶惯性环节：

其中，λ_s为二阶滤波器参数，则内模PID反馈控制器的传递函数为：

利用麦克劳林公式展开：

于是，控制参数的整定规则为：

从而完成了对包括模型扩张状态观测器、内模PID反馈控制器和扰动补偿器的一种用于直线电机的自抗扰控制方法及相关装置的设计。

图3为本申本申请实施例中提供的一种用于线电机的自抗扰控制方法与现有的线性自抗扰控制方法(LADRC)的仿真实验得到的阶跃响应比较图。

假设辨识得到的模型参数为：

并选取λ_f＝0.0035,λ_s＝0.0015,w₀＝200，将本申请的一阶内模滤波器(本申请第一种方法)以及为二阶内模滤波器(本申请的第二种方法)与传统PID控制和线性自抗扰控制方法(LADRC)的控制效果相比较，通过图3，可以知道本申请提供的用于直线电机的自抗扰控制方法方法具有更好的干扰抑制能力。

通过图4可以知道，本申请供的用于直线电机的自抗扰控制方法方法相较于LADRC具有更好的扰动估计精度。

以上为本申请实施例提供的一种用于直线电机的自抗扰控制方法及相关装置的具体实现步骤的实施例，以下为本申请实施例提供的一种用于直线电机的自抗扰控制装置的实施例。

请参阅图5，本申请实施例提供的一种用于直线电机的自抗扰控制装置，包括：

建模单元201，用于对直线电机的精密运动系统进行模型辨识得到辨识模型后，获取辨识模型的模型参数，根据模型参数建立模型扩张状态观测器、内模PID反馈控制器和扰动补偿器，直线电机的精密运动系统包括驱动器模型。

第一计算单元202，用于通过模型扩张状态观测器接收由精密运动系统发送的实际位置信号和总控制量，并基于模型扩张状态观测器方程组，根据实际位置信号和总控制量生成位置估计信号和总扰动估计信号。

第二计算单元203，用于通过内模PID反馈控制器基于初始控制量计算公式，根据目标位置的指令信号和位置估计信号生成初始控制量，并将初始控制量输入到扰动补偿器中。

第三计算单元204，用于通过扰动补偿器基于最终控制量计算公式，根据总扰动估计信号和初始控制量生成最终控制量。

分析单元205，用于通过驱动器模型根据最终控制量对直线电机的位置进行调整后，判断直线电机的位置与目标位置是否一致，若是停止计算，否则触发第一计算单元。

本申请的用于直线电机的自抗扰控制装置，首先通过对包含驱动器模型的直线电机的精密运动系统进行模型辨识，从而对被控对象的参数进行预估；接着为进一步改善模型扩张状态观测器的估计精度，本申请根据辨识得到的模型参数设计模型扩张状态观测器，实现了系统运动状态和总扰动的准确估计，使得控制系统拥有良好的抗干扰能力；然后基于扰动补偿器通过总扰动估计信号的补偿，将被控对象模型改造成已知的标称模型形式，并根据此模型设计内模PID反馈控制器，通过内模滤波器的参数来调整控制参数，即简化了参数整定，又保证了良好的动态响应性能；从而解决了现有自抗扰控制技术抗干扰能力较差，导致无法控制直线电机运动到精确的位置的技术问题。

进一步地，本申请实施例还提供了一种用于直线电机的自抗扰控制设备，其特征在于，设备包括处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例的用于直线电机的自抗扰控制方法。

进一步地，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例的用于直线电机的自抗扰控制方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。