基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置及方法.pdf

本发明公开了一种基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制方法及装置，其特征是，包括电流传感器、位移传感器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机和改进型自抗扰控制器，所述改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块。本发明所达到的有益效果：将常规自抗扰控制器进行改进，增加了目标轨迹的二阶导数，并将其与比例微分控制器的控制量进行组合，形成新的中间控制量；改进型自抗扰控制器不但有效地抑制了系统参数摄动和外部扰动对系统性能的影响，还能有效提高直线电机的轨迹跟踪精度，跟踪误差小。

1.  基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，其特征在于，包括改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、电流传感器、位移传感器；
所述改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、位移传感器依次顺序连接，所述位移传感器与改进型自抗扰控制器相连接，所述第一比较模块通过电流传感器与功率逆变器相连接；
所述改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块；所述二阶微分器、第三比较模块、求和模块、扩张状态观测器、第二比较模块、比例微分控制器依次顺序连接，所述比例微分控制器与所述求和模块相连接，所述扩张状态观测器与所述第三比较模块相连接，所述一阶微分器与所述第二比较模块相连接，所述直线电机的轨迹信号同时发送到所述一阶微分器和二阶微分器。

2.  根据权利要求1所述的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，其特征在于，所述扩张状态观测器包括三个信号输出端，所述比例微分控制器包括两个信号输入端，所述第二比较模块包括四个输入端和两个输出端，所述第二比较模块的四个输入端分别接收被跟踪的直线电机的目标轨迹、一阶微分器的输出信号和扩张状态观测器输出的直线电机实际运动位移的估计值和直线电机实际运动速度的估计值。

3.  根据权利要求1所述的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，其特征在于，所述第二比较模块的两个输出端分别与所述比例微分控制器的两个信号输入端相连接；所述一阶微分器、二阶微分器的输入端用于接收直线电机的目标轨迹。

4.  基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤(1)，电流传感器采集直线电机的实际相电流i；
步骤(2)，位移传感器采集直线电机的实际运动位移x；
步骤(3)：改进型自抗扰控制器接收被跟踪的直线电机的目标轨迹x_d，利用步骤(2)中所述直线电机实际运动位移x和所述目标轨迹x_d，改进型自抗扰控制器输出中间控制量u₁；
步骤(4)：第一比较模接收中间控制量u₁，将中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i比较后的误差值e发送到电流控制器处理，电流控制器输出实际电压控制量u；
步骤(5)：将步骤(4)所述实际控制量u发送到脉冲宽度调制器进行脉冲宽度调制，产生PWM信号，控制功率逆变器产生电压信号，所述功率逆变器控制直线电机的运行。

5.  根据权利要求4所述的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下步骤：
步骤(301)，一阶微分器、二阶微分器同时接收被跟踪的直线电机的目标 轨迹x_d，一阶微分器、二阶微分器对接收到的目标轨迹x_d分别进行一阶微分、二阶微分处理，所述一阶微分、二阶微分处理为式(1)：
x·d=dxd/dtx··d=d2xd/dt2---(1)]]>
其中，x_d为目标轨迹，d为微分算子，t为时间；
步骤S(302)，扩张状态观测器计算直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂和系统总和扰动的估计值z₃，具体计算公式为式(2)；
e0=z1-xz·1=z2-β01·e0z·2=z3-β02·fal(e0,α,δ)+b·u1z·3=-β03·fal(e0,α,δ)---(2)]]>
其中，u₁为中间控制量，x为直线电机实际运动位移，z₁、z₂和z₃分别为直线电机实际运动位移的估计值、直线电机实际运动速度的估计值和系统总和扰动的估计值，e₀为z₁和x之间的误差，b为控制量增益，β₀₁、β₀₂和β₀₃为扩张状态观测器增益，α为幂指数，δ为fal(e₀,α,δ)中线性段的区间长度；
公式(2)中非线性函数fal(e₀,α,δ)的表达式为式(3)：
fal(e0,α,δ)=e0·δα-1,|e0|≤δ|e0|α·sgn(e0),|e0|>δ---(3)]]>
式中，α为幂指数，sgn(·)为符号函数；
步骤(303)，比例微分控制器进行混沌控制输出，具体计算公式为式(4)：
e1=xd-z1e2=x·d-z2u01=Kp·e1+Kd·e2---(4)]]>
其中u₀₁为比例微分控制器的输出，K_P为比例系数，K_d为微分系数，e₁和e₂分别为x_d和z₁、和z₂之间的误差；
步骤(304)，第三比较模块接收二阶微分器的输出量计算输出控制量u₀₂，求和模块依据公式(5)计算步骤(302)所述中间控制量u₁：
u₁＝u₀₁+u₀₂   (5)
其中，u02=(x··d-z3)/b]]>
u₀₂为第三比较模块的输出，为目标轨迹的二阶导数(即目标加速度)，z₃为系统总和扰动的估计值，b为控制量增益。

6.  根据权利要求4所述的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤(5)电流控制器计算实际控制量u具体公式为式(6)：
u＝K_pi·e+K_ii·∫edt   (6)
其中e＝u₁-i；
式中，e为中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i之间的误差，K_pi和K_ii分别为电流控制器的比例系数和积分系数，∫(·)dt为积分符号。

基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制方法及装置，属于直线电机运动控制技术领域。
背景技术
直线电机具有结构简单、响应快、精度和效率高等突出优点，在现代工业、民用、医疗、交通和军事等领域具有广泛的应用前景。
由于直线电机取消了中间传动环节，因此有利于实现高速或低速、高精度的直线运动。但也正是由于缺少中间传动环节的缓冲作用，直线电机更容易受到系统参数变化、摩擦力和负载扰动力等干扰因素的影响，给直线电机的轨迹跟踪运动控制带来很大的难度。
为获得良好的运动性能，越来越多的先进控制策略被引入到直线电机的控制研究中，如自适应鲁棒控制、重复学习控制和自抗扰控制等，其中自抗扰控制以其抗扰能力强、实现简单和不依赖精确的数学模型等优点受到研究人员的重视，但现有技术中，由于常规自抗扰控制器的重点在于自动抵抗扰动的影响，而不包含提高轨迹跟踪精度的环节，因此常规自抗扰控制器轨迹跟踪精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在直线电机控制系统存在参 数摄动、外部扰动情况下，实现对直线电机的高精度轨迹跟踪控制，并克服常规自抗扰控制器轨迹跟踪精度不高问题的基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制装置及方法。
本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：
基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，包括改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、电流传感器、位移传感器。
所述改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、位移传感器依次顺序连接，所述位移传感器与改进型自抗扰控制器相连接，所述第一比较模块通过电流传感器与功率逆变器相连接。
所述改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块；所述二阶微分器、第三比较模块、求和模块、扩张状态观测器、第二比较模块、比例微分控制器依次顺序连接，所述比例微分控制器与所述求和模块相连接，所述扩张状态观测器与所述第三比较模块相连接，所述一阶微分器与所述第二比较模块相连接，所述直线电机的轨迹信号同时发送到所述一阶微分器和二阶微分器。
扩张状态观测器包括三个信号输出端，所述比例微分控制器包括两个信号输入端，所述第二比较模块包括四个输入端和两个输出端，所述第二比较模块 的四个输入端分别接收被跟踪的直线电机的目标轨迹、一阶微分器的输出信号和扩张状态观测器的两个输出信号(扩张状态观测器输出的直线电机实际运动位移的估计值和直线电机实际运动速度的估计值)，扩张状态观测器包括三个输出端，分别为直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂和系统总和扰动的估计值z₃。
第二比较模块的两个输出端分别与所述比例微分控制器的两个信号输入端相连接；所述一阶微分器、二阶微分器的输入端用于接收直线电机的目标轨迹。
基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)，电流传感器采集直线电机的实际相电流i；
步骤(2)，位移传感器采集直线电机的实际运动位移x；
步骤(3)：改进型自抗扰控制器接收被跟踪的直线电机的目标轨迹x_d，利用步骤(2)中所述直线电机实际运动位移x和所述目标轨迹x_d，改进型自抗扰控制器输出中间控制量u₁；
步骤(4)：第一比较模接收中间控制量u₁，将中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i比较后的误差值e发送到电流控制器处理，电流控制器输出实际电压控制量u；
步骤(5)：将步骤(4)所述实际控制量u发送到脉冲宽度调制器进行脉冲宽度调制，产生PWM信号，控制功率逆变器产生电压信号，所述功率逆变器 控制直线电机的运行。
步骤(3)具体包括以下步骤：
步骤(301)，一阶微分器、二阶微分器同时接收被跟踪的直线电机的目标轨迹x_d，一阶微分器、二阶微分器对接收到的目标轨迹x_d分别进行一阶微分、二阶微分处理，所述一阶微分、二阶微分处理为式(1)：
x·d=dxd/dtx··d=d2xd/dt2---(1)]]>
其中，x_d为目标轨迹，d为微分算子，t为时间；
为一阶微分器计算公式。
为二阶微分器计算公式，即目标加速度信号。
增加了目标轨迹的二阶导数(也即目标加速度信号)，并将其与比例微分控制器的控制量进行组合，形成新的中间控制量u₁，不但有效地抑制系统参数摄动和外部扰动对控制系统性能的影响，还能大大提高直线电机的轨迹跟踪精度。
步骤(302)，扩张状态观测器计算直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂和系统总和扰动的估计值z₃，具体计算公式为式(2)；
e0=z1-xz·1=z2-β01·e0z·2=z3-β02·fal(e0,α,δ)+b·u1z·3=-β03·fal(e0,α,δ)---(2)]]>
其中，u₁为中间控制量，x为直线电机实际运动位移，z₁、z₂和z₃分别为直线电机实际运动位移的估计值、直线电机实际运动速度的估计值和系统总和扰动的估计值，e₀为z₁和x之间的误差，b为控制量增益，β₀₁、β₀₂和β₀₃为扩张状态观测器增益，β₀₁、β₀₂和β₀₃分别为用于计算z₁、z₂和z₃的增益量，δ为fal(e₀,α,δ)中线性段的区间长度；分别为z₁、z₂、z₃的一阶求导，将表示的求导公式带入公式(2)中，计算z₁、z₂和z₃。充分考虑控制量与实际运动位移的误差，通过一阶微分获取扩张状态观测器输出，直线电机的轨迹跟踪精度高。
公式(2)中非线性函数fal(e₀,α,δ)的表达式为式(3)：
fal(e0,α,δ)=e0·δα-1,|e0|≤δ|e0|α·sgn(e0),|e0|>δ---(3)]]>
式中，α为幂指数，一般在0～1之间取值，sgn(·)为符号函数；
步骤(303)，比例微分控制器进行混沌控制输出，具体计算公式为式(4)：采用比例微分控制器(PDC)能够实现自治和非自治动力学系统中的混沌控制；
e1=xd-z1e2=x·d-z2u01=Kp·e1+Kd·e2---(4)]]>
其中u₀₁为比例微分控制器的输出，K_P为比例系数，K_d为微分系数，e₁和e₂分别为x_d和z₁、和z₂之间的误差；
u₀₁＝K_p·e₁+K_d·e₂为比例微分控制器的计算公式，u₀₁为比例微分控制器的输出，e₁和e₂为第二比较模块的输出，同时，e₁和e₂也是比例微分控制器的 输入。
步骤(304)，第三比较模块接收二阶微分器的输出量计算输出控制量u₀₂，求和模块依据公式(5)计算步骤(302)所述中间控制量u₁：
u₁＝u₀₁+u₀₂   (5)
其中，u02=(x··d-z3)/b]]>
u₁为求和模块的输出量，也即中间控制量，u₀₁为比例微分控制器的输出，u₀₂为第三比较模块的输出，为目标轨迹的二阶导数(即目标加速度)，z₃为系统总和扰动的估计值，b为控制量增益。即为第三比较模块的算法公式，其中u₀₂为第三比较模块的输出，z₃为扩张状态观测器的其中一个输出量扰动的估计值。
步骤(5)电流控制器计算实际控制量u具体公式为式(6)：
u＝K_pi·e+K_ii·∫edt   (6)
其中e＝u₁-i；
式中，e为中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i之间的误差，K_pi和K_ii分别为电流控制器的比例系数和积分系数，∫(·)dt为积分符号。
本发明的数据流向为：所述电流传感器用于采集直线电机的实际相电流i，并传输至第一比较模块；所述位移传感器用于采集直线电机的实际运动位移x，并传输至改进型自抗扰控制器；所述扩张状态观测器利用直线电机的实际运动 位移x和上一个采样时刻计算出的中间控制量u₁计算出三个状态变量，分别为直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂和系统总和扰动的估计值z₃，其中z₁和z₂传输至第二比较模块，z₃传输至第三比较模块；所述一阶微分器对目标轨迹x_d进行一次微分后，得到目标轨迹x_d的一阶导数并传输至第二比较模块；所述二阶微分器对目标轨迹x_d进行二次微分后，得到目标轨迹x_d的二阶导数并传输至第三比较模块；所述第二比较模块将目标轨迹x_d和直线电机实际运动位移的估计值z₁、目标轨迹x_d的一阶导数和直线电机实际运动速度的估计值z₂分别比较作差后，得到差值e₁和e₂，并传输至比例微分控制器；所述比例微分控制器将差值e₁和e₂进行控制计算，得出中间控制量u₀₁，并传输至求和模块；所述第三比较模块将目标轨迹x_d的二阶导数和系统总和扰动的估计值z₃进行比较计算，得出中间控制量u₀₂，并传输至求和模块；所述求和模块将中间控制量u₀₁和u₀₂进行求和计算后，得出中间控制量u₁，并传输至第一比较模块；所述第一比较模块将中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i进行比较计算得出差值e，并传输至电流控制器；所述电流控制器将中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i的差值e进行控制计算后得出实际控制量u，并传输至脉冲宽度调制器；所述脉冲宽度调制器利用实际控制量u产生相应的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，并传输至功率逆变器；所述功率逆变器利用PWM信号产生相应的电压信号， 从而控制所述直线电机运行。
本发明所达到的有益效果：本发明设计了一种基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制装置及方法，在常规自抗扰控制器的基础上，增加了目标轨迹的二阶导数(也即目标加速度信号)，并将其与比例微分控制器的控制量进行组合，形成新的中间控制量u₁，与常规自抗扰控制器相比，改进型自抗扰控制器不但有效地抑制系统参数摄动和外部扰动对控制系统性能的影响，还能大大提高直线电机的轨迹跟踪精度。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中正弦轨迹跟踪误差对比图；
图3是本发明中对系统参数摄动的抑制能力对比图；
图4是本发明中对外部扰动的抑制能力对比图；
图5是本发明中对总和扰动的估计及其误差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪装置，包括改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、电流传感器、位移传感器。
所述改进型自抗扰控制器、第一比较模块、电流控制器、脉冲宽度调制器、功率逆变器、直线电机、位移传感器依次顺序连接，所述位移传感器与改进型 自抗扰控制器相连接，所述第一比较模块通过电流传感器与功率逆变器相连接。
所述改进型自抗扰控制器包括一阶微分器、二阶微分器、第二比较模块、第三比较模块、比例微分控制器、扩张状态观测器和求和模块；所述二阶微分器、第三比较模块、求和模块、扩张状态观测器、第二比较模块、比例微分控制器依次顺序连接，所述比例微分控制器与所述求和模块相连接，所述扩张状态观测器与所述第三比较模块相连接，所述一阶微分器与所述第二比较模块相连接，所述直线电机的轨迹信号同时发送到所述一阶微分器和二阶微分器。
扩张状态观测器包括三个信号输出端，所述比例微分控制器包括两个信号输入端，所述第二比较模块包括四个输入端和两个输出端，所述第二比较模块的四个输入端分别接收被跟踪的直线电机的目标轨迹、一阶微分器的输出信号和扩张状态观测器的两个输出信号。
第二比较模块的两个输出端分别与所述比例微分控制器的两个信号输入端相连接；所述一阶微分器、二阶微分器的输入端用于接收直线电机的目标轨迹。
一阶微分器设置有输入端和输出端。
二阶微分器设置有输入端和输出端。
第二比较模块设置有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端和第二输出端。
第三比较模块设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
比例微分控制器设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
扩张状态观测器设置有第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端。
求和模块设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
电流传感器设置有输入端和输出端。
位移传感器设置有输入端和输出端。
第一比较模块设置有第一输入端、第二输入端和输出端。
电流控制器设置有输入端和输出端。
脉冲宽度调制器设置有输入端和输出端。
功率逆变器设置有输入端和输出端。
直线电机设置有输入端和输出端；
如图1所示，本发明的内部连接关系如下：
一阶微分器的输入端与目标轨迹x_d相连接。
一阶微分器的输出端与第二比较模块的第二输入端相连接。
二阶微分器的输入端与目标轨迹x_d相连接。
二阶微分器的输出端与第三比较模块的第一输入端相连接。
第二比较模块的第一输入端与目标轨迹x_d相连接。
第二比较模块的第三输入端与扩张状态观测器的第一输出端相连接。
第二比较模块的第四输入端与扩张状态观测器的第二输出端相连接。
第二比较模块的第一输出端与比例微分控制器的第一输入端相连接。
第二比较模块的第二输出端与比例微分控制器的第二输入端相连接。
比例微分控制器的输出端与求和模块的第一输入端相连接。
第三比较模块的第二输入端与扩张状态观测器的第三输出端相连接。
第三比较模块的输出端与求和模块的第二输入端相连接。
扩张状态观测器的第一输入端与求和模块的输出端相连接。
扩张状态观测器的第二输入端与位移传感器的输出端相连接。
求和模块的输出端与第一比较模块的第一输入端相连接。
第一比较模块的第二输入端与电流传感器的输出端相连接。
第一比较模块的输出端与电流控制器的输入端相连接。
电流控制器的输出端与脉冲宽度调制器的输入端相连接。
脉冲宽度调制器的输出端与功率逆变器的输入端相连接。
功率逆变器的输出端与电流传感器的输入端相连接。
直线电机的输入端与功率逆变器的输出端相连接。
直线电机的输出端与位移传感器的输入端相连接。
一种基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制方法，具体实现方法如下：
步骤(1)，电流传感器采集直线电机的实际相电流i；
步骤(2)，位移传感器采集直线电机的实际运动位移x；
步骤(3)：改进型自抗扰控制器接收被跟踪的直线电机的目标轨迹x_d，利用步骤(2)中所述直线电机实际运动位移x和所述目标轨迹x_d，改进型自抗扰控制器输出中间控制量u₁；
改进型自抗扰控制器控制过程如下：
x·d=dxd/dtx··d=d2xd/dt2---(1)]]>
其中，x_d为目标轨迹，d为微分算子，t为时间；为目标加速度信号。
扩张状态观测器的表达式为：
e0=z1-xz·1=z2-β01·e0z·2=z3-β02·fal(e0,α,δ)+b·u1z·3=-β03·fal(e0,α,δ)---(2)]]>
α为幂指数，0～1之间取值，本实施例，计算z₂时，α取值为0.5，z₃计算时，α取值为0.25，具体地：
e0=z1-xz·1=z2-β01·e0z·2=z3-β02·fal(e0,0.5,δ)+b·u1z·3=-β03·fal(e0,0.25,δ)---(2)]]>
其中，u₁为中间控制量，x为直线电机实际运动位移，z₁、z₂和z₃分别为直线电机实际运动位移的估计值、直线电机实际运动速度的估计值和系统总和扰动的估计值，e₀为z₁和x之间的误差，b为与系统相关的参数(控制量增益)， β₀₁、β₀₂、β₀₃、和δ均为扩张状态观测器的参数，β₀₁、β₀₂和β₀₃分别为用于计算z₁、z₂和z₃的增益量。分别为z₁、z₂、z₃的一阶求导，将表示的求导公式带入公式(2)中，计算z₁、z₂和z₃，即通过式(2)中的第一个式子e₀＝z₁-x得到z₁的表达式，对z₁进行一阶求导后，带入公式(2)的第二个式子通过方程式计算z₁，通过表达式的带入，获取z₂和z₃，其中e₀依据历史数据获取。
非线性函数fal(e₀,α,δ)的表达式如下：
fal(e0,α,δ)=e0·δα-1,|e0|≤δ|e0|α·sgn(e0),|e0|>δ---(3)]]>
式中，α为幂指数，在0～1之间取值，sgn(·)为符号函数。
比例微分控制器的表达式如下：
e₁＝x_d-z₁
e2=x·d-z2---(4)]]>
u₀₁＝K_p·e₁+K_d·e₂
其中u₀₁为比例微分控制器的输出，K_p为比例系数，K_d为微分系数，e₁和e₂分别为x_d和Z₁、和Z₁之间的误差。
中间控制量u₁的计算公式为：
u02=(x··d-z3)/bu1=u01+u02---(5)]]>
其中u₀₂为第三比较模块的输出，为目标轨迹的二阶导数(即目标加速度)，z₃为系统总和扰动的估计值，b为控制量增益。
步骤(4)：第一比较模接收中间控制量u₁，将中间控制量u₁和直线电机的实 际相电流i比较后的误差值e发送到电流控制器处理，电流控制器输出实际电压控制量u；
电流控制器计算出实际控制量u，即
e＝u₁-i
u＝K_pi·e+K_ii·∫edt   (6)
式中，e为中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i之间的误差，K_pi和K_ii分别为电流控制器的比例系数和积分系数，∫(·)dt为积分符号。
步骤(5)：将步骤(4)所述实际控制量u发送到脉冲宽度调制器进行脉冲宽度调制，产生PWM信号，控制功率逆变器产生电压信号，所述功率逆变器控制直线电机的运行。
在本发明中的数据流向为：
电流传感器用于采集直线电机的实际相电流i，并传输至第一比较模块；
位移传感器用于采集直线电机的实际运动位移x，并传输至改进型自抗扰控制器；
扩张状态观测器利用直线电机的实际运动位移x和上一个采样时刻计算出的中间控制量u₁计算出三个状态变量，分别为直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂和系统总和扰动的估计值z₃，其中z₁和z₂传输至第二比较模块，z₃传输至第三比较模块；
一阶微分器对目标轨迹x_d进行一次微分后，得到目标轨迹x_d的一阶导数并传输至第二比较模块；
二阶微分器对目标轨迹x_d进行二次微分后，得到目标轨迹x_d的二阶导数并传输至第三比较模块；
第二比较模块将目标轨迹x_d和直线电机实际运动位移的估计值z₁、目标轨迹x_d的一阶导数和直线电机实际运动速度的估计值z₂分别比较作差后，得到差值e₁和e₂，并传输至比例微分控制器；
比例微分控制器将差值e₁和e₂进行控制计算，得出中间控制量u₀₁，并传输至求和模块；
第三比较模块将目标轨迹x_d的二阶导数和系统总和扰动的估计值z₃进行比较计算，得出中间控制量u₀₂，并传输至求和模块；
求和模块将中间控制量u₀₁和u₀₂进行求和计算后，得出中间控制量u₁，并传输至第一比较模块；
第一比较模块将中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i进行比较计算得出差值e，并传输至电流控制器；
电流控制器将中间控制量u₁和直线电机的实际相电流i的差值e进行控制计算后得出实际控制量u，并传输至脉冲宽度调制器；
脉冲宽度调制器利用实际控制量u产生相应的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，并传输至功率逆变器；
功率逆变器利用PWM信号产生相应的电压信号，从而控制所述直线电机 运行。
图1反映的是基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪控制系统框图。
图2反映的是当目标轨迹为正弦轨迹x_d＝25sin(4t-0.5π)+25(mm)时，三种控制器的轨迹跟踪误差对比图，这三种控制器分别为比例积分微分前馈控制、常规自抗扰控制和改进型自抗扰控制。从图中可以看出，改进型自抗扰控制的跟踪误差最小，控制精度最高，最大跟踪误差小于1μm，图中时间t的单位为s。
图3反映的是在系统参数摄动下三种控制器的正弦轨迹跟踪误差对比图，这里系统参数(即运动部分的质量)由0.25kg变为10kg。从图中可以看出，改进型自抗扰控制的跟踪误差为最小，控制精度最高，有力说明了改进型自抗扰控制器对系统参数摄动具有较强的抑制能力。
图4反映的是在外部扰动作用下三种控制器的正弦轨迹跟踪误差对比图，这里在0.4–1.1秒之间给系统施加10N的作用力，模拟突变的外部扰动作用。从图中可以看出，改进型自抗扰控制的跟踪误差仍为最小，控制精度最高，说明基于改进型自抗扰控制器的轨迹跟踪运动控制系统对外部扰动同样具有很强的抑制能力。
图5反映的是扩张状态观测器对系统总和扰动的估计作用。从图中可以看出，扩张状态观测器对总和扰动的估计值与实际值之间的误差很小，正是由于 扩张状态观测器能较好地观测与估计总和扰动的作用，因此基于改进型自抗扰控制器的直线电机轨迹跟踪运动控制系统具有极强的扰动抑制能力，从而更有利于高精度轨迹跟踪的实现。
本发明中改进型自抗扰控制器与现有的常规自抗扰控制器的区别在于，本发明中改进型自抗扰控制器增加了目标轨迹的二阶导数(也即目标加速度信号)，并且在式(1)和式(4)中，采用的是一阶微分器获得目标轨迹的一阶微分值并用来计算与直线电机实际运动速度的估计值z2之间的差值，最终与比例微分控制器的控制量进行组合，形成新的中间控制量u₁。而在现有的常规自抗扰控制器中，没有采用目标轨迹的二阶导数(也即目标加速度信号)，并且在式(1)和式(4)中，采用的是跟踪微分器来获得目标轨迹的一阶微分估计值，并用来计算与直线电机实际运动速度的估计值z₂之间的差值，最终直接形成中间控制量u₁。这样的改进不但易于实现、有效地抑制了系统参数摄动和外部扰动对控制系统性能的影响，还大大提高了直线电机的轨迹跟踪精度。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。