CN109120198A - 基于触发机制的电机控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于触发机制的电机控制***及方法，包括速度控制器，速度控制器与串级控制回路连接，速度控制器还与模糊监督控制器连接；串级控制回路包括外环PID控制回路和内环PID控制回路；外环PID控制回路内设置有事件触发器，事件触发器通过触发机制工作。本发明采用基于触发机制的串级控制后，可以迅速克服外界扰动对***的影响，减少网络数据的传输量，从而提高控制性能和数据传输速率，降低网络传输时延、数据包丢失等现象的发生概率，进而提高***品质。利用模糊监督控制器对速度控制器参数在线调整，可以提高***稳定性和鲁棒性能，实现优化控制。

Description

基于触发机制的电机控制***及方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种基于触发机制的电机控制***及方法。
背景技术
随着社会和经济发展，许多先进控制技术和方法应用到电机控制***中，例如串级控制、模糊控制等。其中，串级控制***成为自动化和控制领域以及直流电机和交流伺服电机领域技术发展的重点之一。串级控制***具有能改善对象的动态特性、提高***的控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，能提高***的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等优点，已被广泛应用于自动化制造、电机控制、化工行业、航空航天、电力行业等复杂的工业***中。
将触发机制引入自动控制***中，在带来许多优点的同时，也增加了控制***分析与设计的复杂性，例如由于事件触发机制的理论研究相对落后，缺少可行性的理论指导。克服触发机制引入带来的理论复杂性，是需要考虑的问题。
另外，目前国内外关于控制***的研究和应用主要是针对单回路控制***，与单回路控制***相比，串级控制***具有更多优点，例如可以提高控制***性能，尤其是在***具有外部扰动的情况下，能够及时调整、快速稳定、减少扰动对***的影响。另外，与单回路控制***相比，串级控制***设计时需要考虑更多的问题。
对于基于触发机制的电机串级控制***研究的难点在于，触发机制的理论指导性不够严谨，电机控制被控过程中的非线性等现象，触发机制的引入可能导致***性能下降甚至造成***不稳定，同时也会给控制***的分析和设计带来困难。
因此，如何提高由于触发机制引入，造成电机串级控制***性能下降已成为需要解决的关键问题之一。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于触发机制的电机控制***及方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于触发机制的电机控制***，包括外环PID控制回路和内环PID控制回路；内环PID控制回路包括副变送器、电流控制器和副被控对象电流，并通过网络顺序连接；外环PID控制回路包括主变送器、事件触发器、速度控制器、电流控制器、副被控对象电流、主被控对象转速，并通过网络顺序连接。
进一步地，所述主变送器的输出信号为所述事件触发器的输入信号，事件触发器根据触发机制得到的输出信号为速度控制器的输入信号，和已传送到速度控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，则将已传送到速度控制器的信号进行更新；比较值小于或等于给定的触发机制，速度控制器不更新输出信号。
进一步地，所述速度控制器还与模糊监督控制器连接，所述模糊监督控制器根据速度控制器的输入和主被控对象的输出在线调整主被控对象的参数。所述模糊监督控制器由模糊器、模糊推理机、模糊规则表、解模糊器组成，通过模糊自整定在运行中不断的检测控制偏差和控制偏差变化率对两个参数进行在线修改。
进一步地，所述电流控制器还与前馈控制器连接，前馈控制器根据副被控对象电流的输出和外界扰动的影响在线调整电流控制器的参数。
一种基于触发机制的电机控制方法，包括步骤：
(1)主变送器对主被控对象的输出信号进行周期采样；
(2)主变送器将采样后得到的输出信号通过外环PID控制回路传输至事件触发器；
(3)事件触发器根据触发机制对输入的信号进行运算；
(4)事件触发器的输出信号通过外环PID控制回路传输到速度控制器，速度控制器对输入的信号进行相应的运算后，传输到电流控制器；
(5)副变送器对副被控对象的输出信号进行周期采样，并将得到的信号通过内环PID控制回路传输到电流控制器；
(6)电流控制器通过输入的信号触发，电流控制器对给定的信号进行相应的运算，得到电流控制器的输出信号；
(7)前馈控制器根据电流控制器节点的输出信号和扰动信号决定是否需要对电流控制器的参数在线调整；
(8)模糊监督控制器根据速度控制器的输入和主被控对象的输出，通过模糊自整定在运行中不断的检测控制偏差和控制偏差变化率来对两个参数进行在线修改；
(9)返回第一步。
进一步地，主变送器工作于时间驱动方式，副变送器工作于时间驱动方式，电流控制器工作于事件驱动方式。
进一步地，事件触发器将根据触发机制得到的输出信号通过网络以后作为速度控制器的输入信号，和已传送到速度控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，需要将已传送到速度控制器的信号进行更新；比较值小于或等于给定的触发机制，速度控制器不更新输出信号。
有益效果：本发明的优点在于：采用基于触发机制的串级控制后，可以迅速克服外界扰动对***的影响，减少网络数据的传输量，从而提高控制性能和数据传输速率，降低网络传输时延、数据包丢失等现象的发生概率，进而提高***品质。利用模糊监督控制器对速度控制器参数在线调整，可以提高***稳定性和鲁棒性能，实现优化控制。
附图说明
图1是本发明基于触发机制的电机控制***方框图；
图2是模糊规则表；
图3是隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的串级电机控制***具有内外回路，即外环PID控制回路和内环PID控制回路。内环PID控制回路由副变送器、电流控制器和副被控对象电流组成。外环PID控制回路中不仅包括主变送器、速度控制器、整个内回路、主被控对象转速，还包括事件触发器。通过事件触发器使得本发明不仅具有串级控制***结构的优点，同时具有网络控制***结构的优点。
速度控制器和电流控制器为PID控制器，主被控对象转速、主变送器、速度控制器、电流控制器、主被控对象电流之间通过网络进行连接，副变送器、电流控制器和副被控对象电流之间通过网络连接。
主变送器的输出作为事件触发器的输入，事件触发器将根据触发机制得到的输出信号通过网络以后作为速度控制器的输入信号，和已传送到速度控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，需要将已传送到速度控制器的信号进行更新；比较值小于或等于给定的触发机制，速度控制器不更新输出信号。
具体的触发机制运算公式如下：
其中，Ω为对称正定矩阵，σ为属于(0,1)的正常数，为h采样周期，(k+j)h为第(k+j)个采样周期，j＝1,2,…为正整数。
触发机制运算公式中，输入的采样信号x1((k+j)h)满足公式，则信号不被传输至速度控制器，速度控制器的信号不被更新。输入的采样信号不满足公式，则信号通过网络传送至速度控制器。
速度控制器与串级控制回路连接，还与模糊监督控制器连接，模糊监督控制器根据速度控制器的输入和主被控对象的输出在线调整主被控对象的参数。模糊监督控制器由模糊器、模糊推理机、模糊规则表、解模糊器组成，通过模糊自整定在运行中不断的检测控制偏差e和控制偏差变化率ec来对两个参数进行在线修改，以满足不同的e和ec对速度控制器参数的要求。
模糊器利用三角隶属度函数被将e和ec转化成模糊变量NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL。模糊推理机利用如图2所示的模糊规则表来确定如何将输入模糊集合映射到输出模糊集合。模糊规则表是模糊监督控制器的核心，它根据e和ec对输出特性的影响建立并根据实验效果进行修改。
解模糊器将输出模糊集合转化成真值变量，本发明选择的隶属度函数为：
其中，sign(i)为隶属函数中心点的符号，其分布情况如图3所示。靠近中心点的隶属函数较密，如果***偏差较小，则模糊控制器推理出的语言值较小，反模糊化后输出的控制量较小，控制作用较弱。同理，如果***偏差较大，控制作用较强，以便达到快速控制***的目的。
电流控制器与内环控制回路连接，还与前馈控制器连接，前馈控制器根据副被控对象电流的输出和外界扰动的影响在线调整电流控制器的参数，副被控对象的输出和外界扰动的影响通过前馈控制器在线调整电流控制器的参数。
基于触发机制的电机串级控制***的工作原理：当扰动存在于内环PID控制回路时，由于电流控制器的存在，电流控制器能及时动作，快速抑制扰动，从而具有串级控制结构的优点；在外环PID控制回路中，通过网络进行连接，***具有网络控制结构的优点；另外，在外环PID控制回路中，事件触发器根据触发机制决定是否需要传送新的数据，以使速度控制器的信息得到更新，在主变送器节点，只有部分采样信号才能够被传送到速度控制器，从而提高了网络传输速率，降低了由于网络数据传输量大，导致的网络传输时延、数据包丢失、网络拥塞等现象发生的概率；另外，模糊监督控制器在运行中不断的检测控制偏差e和控制偏差变化率ec来对两个参数进行在线修改，以满足不同的e和ec对速度控器参数的要求，从而实现优化控制。
本发明具体实施步骤如下所述：
第一步：工作于时间驱动方式的主变送器对主被控对象的输出信号x1(t)进行周期采样；
第二步：主变送器将采样后得到的输出信号x1(kh)通过外环PID控制回路传输至事件触发器；
第三步：事件触发器根据触发机制对输入的信号进行运算；
事件触发器将根据触发机制得到的输出信号通过网络以后作为速度控制器的输入信号，和已传送到速度控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，需要将已传送到速度控制器的信号进行更新；比较值小于或等于给定的触发机制，速度控制器不更新输出信号。
第四步：事件触发器的输出信号x1(tkh)通过外环PID控制回路网络传输到速度控制器，速度控制器对输入的信号进行相应的运算后，通过网络传输到电流控制器；
第五步：工作于时间驱动方式的副变送器对副被控对象的输出信号x2(t)进行周期采样，并将得到的信号通过内环PID控制回路传输到电流控制器；
第六步：工作于事件驱动方式的电流控制器，通过输入的信号触发，电流控制器对给定的信号进行相应的运算，得到电流控制器的输出信号；
第七步：前馈控制器根据电流控制器节点的输出信号和扰动信号决定是否需要对电流控制器的参数在线调整；
第八步：模糊监督控制器根据速度控制器的输入和主被控对象的输出，通过模糊自整定在运行中不断的检测控制偏差e和控制偏差变化率ec来对两个参数进行在线修改；
第九步：返回第一步。

Claims (8)

1.一种基于触发机制的电机控制***，其特征在于，包括外环PID控制回路和内环PID控制回路；
内环PID控制回路包括副变送器、电流控制器和副被控对象电流，并通过网络顺序连接；
外环PID控制回路包括主变送器、事件触发器、速度控制器、电流控制器、副被控对象电流、主被控对象转速，并通过网络顺序连接。
2.根据权利要求1所述的基于触发机制的电机控制***，其特征在于，所述主变送器的输出信号为所述事件触发器的输入信号，事件触发器根据触发机制得到的输出信号为速度控制器的输入信号，和已传送到速度控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，则将已传送到速度控制器的信号进行更新；比较值小于或等于给定的触发机制，速度控制器不更新输出信号。
3.根据权利要求1所述的基于触发机制的电机控制***，其特征在于，所述速度控制器还与模糊监督控制器连接，所述模糊监督控制器根据速度控制器的输入和主被控对象的输出在线调整主被控对象的参数。
4.根据权利要求3所述的基于触发机制的电机控制***，其特征在于，所述模糊监督控制器由模糊器、模糊推理机、模糊规则表、解模糊器组成，通过模糊自整定在运行中不断的检测控制偏差和控制偏差变化率对两个参数进行在线修改。
5.根据权利要求1所述的基于触发机制的电机控制***，其特征在于，所述电流控制器还与前馈控制器连接，前馈控制器根据副被控对象电流的输出和外界扰动的影响在线调整电流控制器的参数。
6.一种基于触发机制的电机控制方法，其特征在于，包括步骤：
(1)主变送器对主被控对象的输出信号进行周期采样；
(2)主变送器将采样后得到的输出信号通过外环PID控制回路传输至事件触发器；
(3)事件触发器根据触发机制对输入的信号进行运算；
(4)事件触发器的输出信号通过外环PID控制回路传输到速度控制器，速度控制器对输入的信号进行相应的运算后，传输到电流控制器；
(5)副变送器对副被控对象的输出信号进行周期采样，并将得到的信号通过内环PID控制回路传输到电流控制器；
(6)电流控制器通过输入的信号触发，电流控制器对给定的信号进行相应的运算，得到电流控制器的输出信号；
(7)前馈控制器根据电流控制器节点的输出信号和扰动信号决定是否需要对电流控制器的参数在线调整；
(8)模糊监督控制器根据速度控制器的输入和主被控对象的输出，通过模糊自整定在运行中不断的检测控制偏差和控制偏差变化率来对两个参数进行在线修改；
(9)返回第一步。
7.根据权利要求6所述的基于触发机制的电机控制方法，其特征在于，主变送器工作于时间驱动方式，副变送器工作于时间驱动方式，电流控制器工作于事件驱动方式。
8.根据权利要求6所述的基于触发机制的电机控制方法，其特征在于，事件触发器将根据触发机制得到的输出信号通过网络以后作为速度控制器的输入信号，和已传送到速度控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，需要将已传送到速度控制器的信号进行更新；比较值小于或等于给定的触发机制，速度控制器不更新输出信号。
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