CN104142627B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
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，包括以下步骤：1)建立含有时变网络诱导时延的无刷直流电机控制***模型。将网络化无刷直流电机控制***描述为一个具有一步输入时滞的离散时间线性时变***，进而将时变时延引起的***不确定动态部分描述为***的加性噪声；2)扩张状态观测器设计。本发明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)对网络化无刷直流电机控制***中的时变时延项的补偿过程。本发明可以有效地将时变网络诱导时延引起的不确定动态用扩张状态观测器实时估计并补偿，此方法对时延引起的不确定性和***内外扰动以及模型不确定性均具有很强的抑制能力。
Description
技术领域
本发明应用于网络化运动控制领域，涉及到基于工业网络的无刷直流电机控制问题，尤其是如何消除网络诱导时延对无刷直流电机控制***性能的影响，实现一种有效的实时控制方法。
背景技术
随着电力电子技术和微电子技术的发展，促生了一种新型调速电动机，即无刷直流电机。由于其低噪声、高效率、结构简单、使用寿命长、响应快速、较大的起动转矩等优点，目前已被广泛应用到数控机床、机械臂以及家用电器等领域。随着工业生产规模的不断扩大，对生产过程的安全要求的不断提高，传统的电机控制***越来越无法满足实际需求。现代网络控制技术的发展，使得网络化控制代替传统控制方式成为可能。
网络化控制***是指用通讯网络连接传感器、控制器和执行器，代替传统的点对点的连接方式而构成的闭环控制***。与传统的控制***相比具有诸多优点，比如可远程操控、减少***的连线、便于安装与维护以及***信息集成和共享等。但是，在控制回路中引入通信网络也带来了一些新的问题，由于采用分时复用的信息传递方式，限于网络的承载能力和有限的带宽，必然会造成信息的冲撞、重传等情况的发生，从而导致了信息在控制***的传输过程产生时延，而且时延随着网络负载的变化而变化，是时变、不确定的。
网络诱导时延通常分为长时延(大于一个***采样周期)和短时延(小于一个***采样周期)，其中长时延的情况在实际***中出现的频率并不高，长时延对运动控制***会有很大的影响，工程上一般通过改善网络协议和结构将时延尽可能地减小，但是短时延的存在往往是不可避免的。
本发明主要考虑如何降低甚至消除网络诱导时延对无刷直流电机控制***性能的影响，目前，常用的处理方法包括鲁棒控制方法、Smith预估器补偿方法 以及基于时间驱动人为延长时延的方法等。其中，鲁棒控制方法不需要精确知道网络时延的大小，且鲁棒控制器具有较好的抗干扰能力，但保守性较大。Smith预估器方法则是用一个预估模型对时延进行补偿，但是它对电机模型的精确性要求较高，这在实际中往往难以实现。基于时间驱动执行器的人为延长时延的方法能够将时变时延转化为定常时延，便利了控制器的设计，但是会导致***控制输入不能及时更新，降低了***的控制性能。
发明内容
为了克服上述提到的现有控制方法的无法解决时变时延引起的不确定动态进行准确估计、抗干扰能力较弱的不足，本发明采用自抗扰技术设计网络化无刷直流电机控制***的时延补偿和控制策略，可以有效地将时变网络诱导时延引起的不确定动态用扩张状态观测器实时估计并补偿，此方法对时延引起的不确定性和***内外扰动以及模型不确定性均具有很强的抑制能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
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，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***模型。
考虑网络诱导时延小于一个采样周期的情况，将网络化无刷直流电机控制***描述为一个具有一步输入时滞的离散时间线性时变***，进而将时变时延引起的***不确定动态部分描述为***的加性噪声，具体过程包括：
1.1)建立无刷直流电机控制***的线性化传递函数模型
无刷直流电机控制***由电流环和转速环构成，且电流环和转速环均可由一个一阶线性模型描述，经过两者的串联得到无刷直流电机控制***的二阶***模型，其传递函数为：
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。为便于控制器的设计，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为直流电机的加速度，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***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***模型为：
将e-aT用1-aT近似后，可将式(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，即并令由此可将由式(5)表示的网络化无刷直流电机控制***模型扩张成如下的三阶***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***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。
进一步，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***(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的估计值之差，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，为保证一定的估计精度，根据高 增益状态观测器设计原则，β01、β02、β03可取得大一些，一般要大于噪声或扰动的上界。
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、电机的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***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，目前尚未有针对该问题的有效结果，本发明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。
再进一步，所述步骤3)中，对网络化无刷直流电机控制***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，同时还可以获得转速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)，新扩张的量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***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)。经过非线性组合模块可计算出控制量u0(k)，计算过程如式(12)所示。
为了补偿***中由时变时延引起的不确定性和内外扰动，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***中所有含有时变时延的总和扰动项，从而使***转化成了纯积分的线性***，同时也消除了时变时延对***性能的影响。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、可对由网络诱导时延引起的***不确定动态进行较准确的估计
本发明设计的扩张状态观测器，可对无刷直流电机控制***的状态量进行实时估计，即***中z1(k)对电机转速x1(k)的估计，z2(k)对电机加速度x2(k)的估计，z3(k)对新扩张的含有不确定性的状态量x3(k)的估计。因此，所设计的扩张 状态观测器可以将***中由时变网络诱导时延引起的不确定动态作为总和扰动一并估计出来,有效解决了对时变时延引起的不确定动态进行准确估计这一难题。
2、对时变网络诱导时延引起的不确定动态的补偿
利用扩张状态观测器获得的扰动总和估计z3(k)可重新构造如式(12)所示的控制律，利用该控制律可抵消***中所有含有时变网络诱导时延动态的总和扰动，从而使***转化成了纯积分的线性***，消除了时变网络诱导时延对***性能的影响。
3、具有很强的抗干扰能力
z3(k)作为新扩张出的***状态量，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，从而在补偿过程中，在补偿由时变网络诱导时延引起的不确定动态的同时也补偿了内外扰动，消除了内外扰动对***性能的影响。
附图说明
图1是具有时延的网络化直流电机控制***结构图。
图2是具有时变短时延的网络化控制***的信号时序图。
图3是自抗扰控制器的结构框图。
图4是具有时延补偿的电机转速跟踪曲线图。
图5是加入外部扰动时电机转速跟踪曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案、设计思路能更加清晰，下面结合附图再进行详尽的描述。
参照图1～图5，一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，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***模型。
考虑网络诱导时延小于一个采样周期的情况，将网络化无刷直流电机控制 ***描述为一个具有一步输入时滞的离散时间线性时变***，进而将时变时延引起的***不确定动态部分描述为***的加性噪声，具体过程包括：
1.1)建立无刷直流电机控制***的线性化传递函数模型
无刷直流电机控制***由电流环和转速环构成，且电流环和转速环均可由一个一阶线性模型描述，经过两者的串联得到无刷直流电机控制***的二阶***模型，其传递函数为：
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。为便于控制器的设计，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为直流电机的加速度，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***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***模型为：
将e-aT用1-aT近似后，可将式(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，即并令由此可将由式(5)表示的网络化无刷直流电机控制***模型扩张成如下的三阶***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***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。
进一步，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***(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的估计值之差，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，为保证一定的估计精度，根据高增益状态观测器设计原则，β01、β02、β03可取得大一些，一般要大于噪声或扰动的上界。
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、电机的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***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，目前尚未有针对该问题的有效结果，本发明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。
再进一步，所述步骤3)中，对网络化无刷直流电机控制***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，同时还可以获得转速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)，新扩张的量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***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)。经过非线性组合模块可计算出控制量u0(k)，计算过程如式(12)所示。
为了补偿***中由时变时延引起的不确定性和内外扰动，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***中所有含有时变时延的总和扰动项，从而使***转化成了纯积分的线性***，同时也消除了时变时延对***性能的影响。
如图1所示，由于网络的引入，数据在传输过程存在时延，主要包括从传感器到控制器之间的时延和控制器到执行器之间的时延控制回路总的时延传感器节点采用时间驱动，以固定的采样周期T对直流电机输出转速进行采样。控制器节点和执行器(无刷直流电机)节点均为事件驱动，当数据到达控制器时计算控制量并传输到无刷直流电机***。
如图2所示，数据在通过无线网络传输时，存在从传感器到控制器和控制器到执行器之间的时延，当无刷直流电机输出数据时，由于传感器采用的是时间驱动，无刷直流电机转速经过传感器以周期T进行采样，得到离散的转速值序列。当采样得到的转速数据到达控制器时，这之间会有一定的时延存在，而这个时延是时变的、不确定的，但是其大小是限定在一个采样周期以内；当控制器计算出控制量，再将控制量数据传输到无刷直流电机时，这之间依然存在时延，而且这个时延是时变的、不确定的；当数据到达无刷直流电机时数据的时延大小是前面所述的两时延之和，而且时延之和也是限定在一个采样周期以内，所以作用到对象的控制量实际上是由两部分构成，一部分是由上一周期计算得到的控制量，另一部分是当前周期计算得到的控制量。
如图3所示，本专利研究的对象是无刷直流电机，在测试自抗扰方法的有效性时，可以给定电机转速的参考值，通过安排的过渡过程后会得到两个量，一个是电机转速参考值的过渡信号v1(k)，另一个是电机转速参考值的微分信号v2(k)。电机输出的转速值以及控制量作为扩张状态观测器的输入，使得扩张状态观测器能分别对电机转速x1(k)、电机加速度x2(k)和扰动总和x3(k)三个状态量进行估计，其对应的三个估计值分别是z1(k)、z2(k)、z3(k)。据此可计算出电机转速的误差以及误差的微分，即e1(k)＝v1(k)-z1(k)和e2(k)＝v2(k)-z2(k)。得到的两个误差信号经过如式(12)所示的非线性组合可计算出控制量u0(k)，为了消除***中 含有的由时变时延引起的不确定动态，在得到的控制量u0(k)中减去z3(k)得到新的控制量电压当此控制量作用到对象时，可以抵消***中所有由时变时延引起的不确定动态，使***转化成了纯积分的线性***。
如图4所示，从图中可以看出，应用自抗扰控制方法，即使存在时变网络诱导时延，无刷直流电机控制***的输出转速仍然具有很快的响应时间，而且跟踪曲线稳定、没有超调和稳态误差，说明由网络诱导时延产生不确定动态被有效的补偿，电机控制***基本不受时变时延对其性能的影响。
如图5所示，从图可以看出，即使在有外部扰动的情况下，电机转速仍能很快地跟踪上给定的参考值，达到参考值后没有出现明显抖动，在有外部扰动时仍然能有效补偿时变网络诱导时延引起的不确定动态，由此可见，所设计的自抗扰控制算法不仅对网络诱导时延具有很好的补偿效果，对外部噪声也有很好的抑制能力。
Claims (3)
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***模型，将网络化无刷直流电机控制***描述为一个具有一步输入时滞的离散时间线性时变***，进而将时变时延引起的***不确定动态部分描述为***的加性噪声，包括以下过程：
1.1)建立无刷直流电机控制***的线性化传递函数模型
无刷直流电机控制***的二阶***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***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***模型为：
将e-aT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***模型扩张成如下的三阶***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***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***(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***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或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***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***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***中所有含有时变时延的总和扰动项，从而使***转化成了纯积分的线性***。
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