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专利号: 2014103146895
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种采用自抗扰控制技术的网络化无刷直流电机时延补偿和控制方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:步骤1)建立含有时变网络诱导时延的无刷直流电机控制系统模型,将网络化无刷直流电机控制系统描述为一个具有一步输入时滞的离散时间线性时变系统,进而将时变时延引起的系统不确定动态部分描述为系统的加性噪声,包括以下过程:

1.1)建立无刷直流电机控制系统的线性化传递函数模型

无刷直流电机控制系统的二阶系统模型的传递函数为:

其中, r是定子相绕组的电阻,L是绕组的

自感,M是两相绕组间的互感,Ke是电动势系数,J为电机转动惯量,N(s)是电机转速的拉普拉斯变换,U(s)为导通两相的支路电压的拉普拉斯变换;将式(1)所示的传递函数模型转化为如下的状态空间模型:其中,x1为直流电机的转速,x2为直流电机加速度,u为控制量,即导通两相的支路电压;

1.2)获得时变网络诱导时延影响下的电机控制系统模型

数据包在网络中传输时,存在从传感器到控制器和控制器到执行器之间的时延,用和 分别表示测量信号从传感器传输到控制器所经历的时延和控制量从控制器传输到执行器的时延,那么控制回路总的网络诱导时延是 由于时延小于一个采样周期,直流电机在一个周期内的控制输入电压u(t)由两部分构成,一部分是由上一周期计算得到的控制输入电压u(k-1),另一部分是当前周期计算得到的控制输入电压u(k),且具有以下形式:其中,T是采样周期,tk表示第k个采样时刻;因此,根据式(2)和(3),离散化后的含有时变网络诱导时延的无刷直流电机控制系统模型为:-aT

将e 用1-aT近似后,将式(4)化为:

将式(5)中由时变时延τk引起的时变动态用一个新的状态变量x3(k)表示,即,并令 由此将由式(5)表示的网络化无刷直流电机控制系统模型扩张成如下的三阶系统模型:

其中,x1(k+1)、x2(k+1)、x3(k+1)分别为电机转速x1(k)、电机加速度x2(k)、新扩张状态量x3(k)的下一采样时刻的值;

步骤2)设计扩张状态观测器,用于估计无刷直流电机控制系统中由网络诱导时延引起的不确定性;

步骤3)设计带有扩张状态观测器的网络化无刷直流电机自抗扰控制器,实现时变网络诱导时延的实时补偿和电机转速实时控制。

2.根据权利要求1所述的采用自抗扰控制技术的网络化无刷直流电机时延补偿和控制方法,其特征在于,所述步骤2)中,扩张状态观测器设计过程包括:

2.1)设计扩张状态观测器

用于估计系统(6)中三个状态变量的扩张状态观测器具有如下形式:

其中,e(k)为电机转速参考值与实际转速估计值之差,即电机转速的误差量,z1(k)是对电机转速x1(k)的估计,z2(k)是对电机加速度x2(k)的估计,z3(k)是对新扩张状态量x3(k)的估计,h是积分步长;fal(e(k),0.25,δ)为非线性函数,具体如式(8)所示,δ、β01、β02、β03为一组待整定的参数;

其中,a为幂指数,δ为线性段的区间长度,sign()为符号函数,具体表达式如式(9)所示:

2.2)对时变网络诱导时延引起的不确定性的估计

所设计的扩张状态观测器可对无刷直流电机的转速、加速度以及新扩张的由网络诱导时延引起的不确定量进行估计,从式(7)可以看出,所设计的扩张状态观测器可将系统中含有时变时延的不确定动态作为总和扰动一并估计出来;对网络诱导时延进行补偿的关键和难点就在于对时变时延引起的不确定动态进行准确的估计,采用扩张状态观测器可将时变时延引起的不确定动态作为总和扰动的一部分进行估计。

3.根据权利要求1和2所述的采用自抗扰控制技术的网络化无刷直流电机时延补偿和控制方法,其特征在于,所述步骤3)中,对网络化无刷直流电机控制系统中时变时延项的补偿过程:

3.1)安排过渡过程:此过程是将电机参考转速v,经过跟踪微分器获得转速v的近似转速的微分信号v2,同时还可获得转速v的过渡信号v1,将跳变的转速信号平滑化,防止产生超调,式(10)给出跟踪微分器的具体形式:其中,r为快速跟踪因子,h为积分步长,h0为滤波因子,fhan(e(k),v2(k),r,h0)为最速控制综合函数,fhan(x1,x2,r,h)具体表达式如下:

3.2)用扩张状态观测器估计网络诱导时延引起的不确定性;通过扩张状态观测器获得对新扩张状态量x3(k)的估计z3(k),x3(k)中既含有时变时延引起的不确定动态又含有内外扰动,扩张状态观测器一并将其作为总和扰动予以估计;

3.3)时延引起的控制系统不确定性补偿和控制律设计,此过程得到两个误差量,即e1(k)=v1(k)-z1(k)和e2(k)=v2(k)-z2(k),经过非线性组合可计算出控制量u0(k),计算过程如式(12)所示:在得到的控制量u0(k)中减去z3(k)得到新的控制量,即 补偿

过程可抵消系统中所有含有时变时延的总和扰动项,从而使系统转化成了纯积分的线性系统。