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    無刷直流電機網(wǎng)絡伺服控制技術(shù)研究

    2014-10-27 01:48:20祁樹勝
    西安航空學院學報 2014年1期
    關(guān)鍵詞:執(zhí)行器控制算法延時

    祁樹勝,祁 特

    (1.西安航空學院 電氣學院,陜西 西安 710077;2.天津大學 材料科學與工程學院,天津 300072)

    1 簡介

    近些年來,電機網(wǎng)絡控制已成為運動控制技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。網(wǎng)絡的應用為系統(tǒng)帶來了諸多的優(yōu)勢,同時也給系統(tǒng)的控制帶來了一些難題,如傳輸延時,數(shù)據(jù)包丟失等。這些問題不但會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性,還有可能使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。因此,網(wǎng)絡的引入還使系統(tǒng)的分析變得更加復雜,系統(tǒng)的控制也變得困難。

    本文提出了一種無刷直流電機網(wǎng)絡伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方案??紤]了網(wǎng)絡系統(tǒng)前向及反饋通道均存在延時的情況,網(wǎng)絡伺服控制器采用基于模糊自適應調(diào)節(jié)的廣義預測控制算法。在假設(shè)網(wǎng)絡延時有界的前提下,考慮了雙向延時對系統(tǒng)控制特性的影響,采用預測控制算法計算控制律以改善系統(tǒng)的魯棒性,以模糊自適應調(diào)節(jié)算法來克服系統(tǒng)參數(shù)不確定對系統(tǒng)控制特性的影響。

    2 系統(tǒng)分析

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括:網(wǎng)絡控制器,網(wǎng)絡延時補償器,電機本體,傳感器和執(zhí)行器。傳感器和執(zhí)行器為時間驅(qū)動??刂破鳛槭录瓡r間驅(qū)動。執(zhí)行器端設(shè)置延時補償器以補償前向通道延時。反饋通道延時補償由網(wǎng)絡控制器完成。

    圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.1 電機模型

    無刷直流電動機工作在兩相導通星形三相6狀態(tài)方式下,電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

    式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩,N·m;ω為電動機轉(zhuǎn)子機械角速度,rad/s。電機機械運動方程:

    式中:TL為負載轉(zhuǎn)矩,Nom;J為電機轉(zhuǎn)動慣量,kg/m2。

    由于無刷直流電動機工作在兩相導通星形三相6狀態(tài)方式下,則有:

    式中:u為導通兩相的支路電壓,V;i為導通兩相的支路電流,A;ep為導通相的相反電動勢,V。

    由電磁轉(zhuǎn)矩方程可得:

    由于反電動勢波形的平頂寬度為120°電角度的梯形波,則有:ep=Keω

    式中Ke為電動勢系數(shù),V/(rad/s)。

    將以上各式進行拉氏變換可得:

    可把負載轉(zhuǎn)矩TL看成一種干擾,考慮空載情況,可得:

    圖2 控制系統(tǒng)原理圖

    2.2 基于模糊自適應調(diào)節(jié)的廣義預測控制器的設(shè)計

    網(wǎng)絡控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖中采用智能處理器作為執(zhí)行器的延時補償器。網(wǎng)絡控制器由GPC控制器、延時補償及狀態(tài)估計、模糊自適應調(diào)節(jié)器及控制信號變換器組成。被控對象數(shù)學模型可表示為:

    根據(jù)Diophantine方程,可以得到被控對象前向預測方程:

    定義:

    則性能指標函數(shù)可表示為:

    ?。℅TG+λI)-1GT的第一行記為:

    根據(jù)滾動優(yōu)化和反饋校正的原理,控制律增量可表示如下:

    網(wǎng)絡控制器的輸出為:

    采用如下模糊控制規(guī)則:

    βi是和β對應的跟隨參數(shù),β1和β2的模糊自適應調(diào)節(jié)算法采用在線調(diào)整的方法。

    圖3 輸入eg,輸出β的隸屬度函數(shù)

    隸屬度函數(shù)參數(shù)μS(eg),μL(eg)定義如下:

    其中,yr為參考輸入,其中0<γ21<γ11<γ22<γ12<1,0<β1<β2<1.則瞬態(tài)性能指標J(k)定義為:

    由最速下降法可有:

    其中為下降速率,且:

    由于控制器選擇為直接GPC控制,則:綜合整理后,設(shè)

    3 仿真實例

    本文基于MATLAB2008/SIMULINK,建立無刷直流電機控制系統(tǒng)模型。電機參數(shù)設(shè)置為:定子相繞組電阻R=0.5Ω;定子相繞組自感L=0.04H;互感 M=-0.0055H;轉(zhuǎn)動慣量J=0.02kg·m2;阻尼系數(shù)B=0.0002N·m·s/rad;極對數(shù)P=2;每相反電動勢系數(shù)k=0.03;150V直流電源供電。

    情況1:GPC本地控制。此時,控制環(huán)內(nèi)無網(wǎng)絡。GPC控制的仿真結(jié)果如圖4所示。

    圖4 本地控制波形

    情況2:無模糊自適應調(diào)節(jié)的GPC網(wǎng)絡控制

    GPC控制可以補償網(wǎng)絡延時。網(wǎng)絡總延時不超過3個采樣周期。仿真結(jié)果如圖5所示。

    圖5 GPC控制波形

    圖6 具有模糊自適應調(diào)節(jié)的GPC控制

    情況3:具有模糊自適應調(diào)節(jié)的GPC控制。此時網(wǎng)絡總延時不超過3個采樣周期。速度響應如圖6所示。相比常規(guī)的GPC控制,調(diào)節(jié)時間減小,經(jīng)過一次振蕩,系統(tǒng)快速進入穩(wěn)態(tài)。仿真結(jié)果表明了該控制系統(tǒng)良好的快速性。

    4 結(jié)語

    本文提出針對具有雙向有界延時,即具有前向及反饋通道延時的直流電機網(wǎng)絡控制設(shè)計方案。設(shè)計了基于模糊自適應調(diào)節(jié)的廣義預測控制算法的網(wǎng)絡控制器。采用預測控制算法計算控制律以減小網(wǎng)絡延時對系統(tǒng)控制特性的影響,同時能改善系統(tǒng)的魯棒性。模糊自適應調(diào)節(jié)用于進一步提高系統(tǒng)的快速性。仿真結(jié)果證明了該法的有效性。

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