一种基于改进型ESO的运动控制系统扰动抑制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于改进型ESO的运动控制系统扰动抑制方法，在改进型ESO的结构中增加了一个独立变量来调节改进型ESO的扰动估计精度，并在改进型ESO的结构中加入低通滤波器，用于减小改进型ESO的噪声敏感度。利用改进型ESO对系统的扩张状态进行估计，获得系统内部扰动和外部扰动的估计值，基于此估计值设计内环补偿通道，减小内部扰动和外部扰动对系统控制精度的影响，在设计内环补偿通道的同时，利用改进型ESO观测的系统状态值，设计外环状态反馈控制，进一步提高系统的扰动抑制能力，实现运动控制系统的高精度控制。本发明专利技术的有益效果是：有效地解决了传统ESO结构中存在扰动估计精度和噪声灵敏度折中的问题，提高了运动控制系统的精度。制系统的精度。制系统的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进型ESO的运动控制系统扰动抑制方法


[0001]本专利技术涉及运动控制领域，尤其涉及一种基于改进型ESO的运动控制系统扰动抑制方法。

技术介绍

[0002]在机电控制应用中，例如数控机床、工业机器臂，控制过程受到非线性摩擦、转矩脉动等内部扰动和负载变化、电网波动等外部扰动的影响，降低控制系统的精度，因此，扰动抑制一直是运动控制中研究的热点问题。经典的反馈控制技术，例如PID控制，可以根据系统控制误差，实时调节控制器的输出，有效地提高了机电控制系统的精度。然而，该方法对外部扰动处理能力较差，系统的鲁棒性较弱，难以获得高精度的控制目标。扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)是一种在线的扰动估计器。基于ESO的控制系统通过将系统内部扰动和外部扰动视为系统的一个扩张状态，利用ESO观测系统状态和扩张状态，并基于此观测值设计反馈控制器和扰动补偿器，使得系统具有反馈控制和扰动补偿两个自由度，可以有效地提高机电系统的控制精度。为了获得较准确的扰动估计值，需要ESO的带宽足够大，即ESO的增益非常大，但是较大的增益会导致ESO放大测量信号中的噪声，使得系统对噪声非常敏感，系统容易产生振荡现象，从而降低控制性能，甚至造成设备的损坏。因此，亟需研究一种新的ESO观测器的设计，以同时兼顾观测精度和噪声敏感度两个性能。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于改进型ESO的运动控制系统扰动抑制方法，主要包括以下步骤：
[0004]S1：构建运动控制系统的二阶模型：
[0005][0006]其中，x1(t),x2(t)为系统的状态，f(x1(t),x2(t))为系统内部扰动，b为系统输入增益，u(t)为系统控制量，d(t)为外部扰动，y(t)为系统输出，y
o
(t)是系统输出测量值，ξ(t)是测量噪声；
[0007]S2：将系统内部扰动和外部扰动定义为系统的扩张状态x3(t)，利用该扩张状态变换所述二阶模型：
[0008][0009]其中，是扩张状态的导数；
[0010]S3：设计改进型ESO，用以观测系统状态x1(t)、x2(t)，以及扩张状态x3(t)，改进型ESO的公式如下：
[0011][0012]其中，和是系统状态的观测值，是扩张状态的观测值，即为系统内部扰动和外部扰动的估计值，u0(t)是外环控制输入，l1,l2是改进型ESO的增益，k3是新引入的参数，用以独立调节扰动估计精度，x
f
(t)是低通滤波器的状态，τ是低通滤波器的时间常数，是改进型ESO的输出；
[0013]基于系统内部扰动和外部扰动的估计值，设计内环补偿通道，用于减小内部扰动和外部扰动对系统控制精度的影响，在设计内环补偿通道的同时，利用改进型ESO观测的系统状态值，设计外环反馈控制通道，进一步提高系统的扰动抑制能力，用于实现运动控制系统的高精度控制，具体方法如下：
[0014]用观测值来补偿扰动对系统的影响，设计如下所示的内环补偿通道：
[0015][0016]在内环补偿通道中，改进型ESO的参数设计如下：
[0017]1)改进型ESO的带宽为ω0，设计的增益参数为：
[0018][0019]其中，下标i用于标识l1和l2，上标i用于表示幂；
[0020]2)根据测量传感器的信噪比，设计低通滤波器的时间常数τ，τ＝0.01，用于滤除测量信号中的高频噪声；
[0021]3)为了提高扰动估计的精度，需要选择较大的调节参数k3，但同时参数k3还需要满足以下条件：
[0022][0023]在内环补偿通道的基础上，设计如下所示的外环反馈控制通道：
[0024][0025]其中，r(t)为系统的参考输入，k1和k2是外环反馈控制的增益。
[0026]进一步地，在外环反馈控制通道中，设计反馈控制器的带宽为ω
c
，从而外环得到反馈控制增益为：
[0027][0028]本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：
[0029]1、提出的改进型ESO的结构，有效地解决了传统ESO结构中存在扰动估计精度和噪声灵敏度折中的问题；
[0030]2、相同的观测器带宽，可以获得更好的扰动估计精度，且不易受测量噪声的影响，从而提高了运动控制系统的精度。
附图说明
[0031]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0032]图1是本专利技术实施例中一种基于改进型ESO的运动控制系统的结构图。
[0033]图2是本专利技术实施例中磁悬浮系统结构示意图。
[0034]图3是本专利技术实施例中传统ESO的观测误差模型示意图。
[0035]图4是本专利技术实施例中改进型ESO的观测误差模型示意图。
[0036]图5是本专利技术实施例中传统ESO扰动估计误差的频率响应图。
[0037]图6是本专利技术实施例中改进型ESO扰动估计误差的频率响应图。
[0038]图7是本专利技术实施例中传统ESO的噪声频率响应图。
[0039]图8是本专利技术实施例中改进型ESO的噪声频率响应图。
[0040]图9是本专利技术实施例中基于传统ESO和基于改进型ESO分别进行实验后实现的效果图。
[0041]图10是本专利技术实施例中加入高频噪声，对传统ESO和基于改进型ESO进行实验后得到的效果图。
具体实施方式
[0042]为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。
[0043]为了有效地提高ESO的扰动估计精度和减小ESO的噪声敏感度，克服扰动给运动控制系统带来的不利影响，提高系统的控制精度，本专利技术提出了一种基于改进型ESO(Extended State Observer,ESO)的运动控制系统扰动抑制方法，在提出的改进型ESO的结构中增加了一个独立变量来调节改进型ESO的扰动估计精度，并在改进型ESO的结构中加入低通滤波器，用于滤除测量信号中的高频噪声，从而减小了改进型ESO的噪声敏感度。利用改进型ESO对系统状态和扩张状态进行观测，获得系统内部扰动和外部扰动的估计值，基于此估计值设计内环补偿通道，减小内部扰动和外部扰动对系统控制精度的影响，在设计内环补偿通道的同时，利用改进型ESO观测的系统状态值，设计外环反馈控制，进一步提高系统的扰动抑制能力，实现运动控制系统的高精度控制。
[0044]图2为磁悬浮系统结构示意图，磁力球被电磁铁的吸引力悬浮在指定的位置，电磁铁的吸引力由控制器和电流驱动器通过调节线圈电流进行控制，磁力球的位置由光敏传感器测量，测量值进过信号处理后送入控制器，由牛顿第二定律容易得出磁力球的平衡方程：
[0045][0046]其中，y为磁力球到电磁铁的距离，i为电磁铁线圈中的电流，m为磁力球的质量，g为重力加速度，F(i,y)为电磁引力，大小为
[0047][0048]其中，k
f...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进型ESO的运动控制系统扰动抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：构建运动控制系统的二阶模型：其中，x1(t)，x2(t)为系统的状态，f(x1(t)，x2(t))为系统内部扰动，b为系统输入增益，u(t)为系统控制量，d(t)为外部扰动，y(t)为系统输出，y
o
(t)是系统输出测量值，ξ(t)是测量噪声；S2：将系统内部扰动和外部扰动定义为系统的扩张状态x3(t)，利用该扩张状态变换所述二阶模型：其中，是扩张状态的导数；S3：设计改进型ESO，用以观测系统状态x1(t)、x2(t)，以及扩张状态x3(t)，改进型ESO的公式如下：其中，和是系统状态的观测值，是扩张状态的观测值，即为系统内部扰动和外部扰动的估计值，u0(t)是外环控制输入，l1，l2是改进型ESO的增益，k3是新引入的参数，用以独立调节扰动估计精度，x
f
(t)是低通滤波器的状态，τ是低通滤波器的时间常数，是改进型ESO的输出；基于系统内部扰动和外部扰动的估计值，设计内环补偿通道，用于减小内部扰动和外部...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜友武，李博，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：