[發明專利]直流電機網絡化跟蹤控制器的方法

在審

• 申請號: 201710840472.1
• 申請日: 2017-09-18
• 公開（公告）號: CN107861381A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 盧雷
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 高嬌陽

技術領域

本發明一種直流電機網絡化跟蹤控制器的方法，屬于網絡化控制領域，具體為如何消除時變網絡誘導時延對直流電機控制系統性能的影響。

背景技術

隨著計算機與網絡技術的不斷發展，自動化技術逐漸向網絡化與信息化方向發展，網絡控制系統(NCS)應運而生，其應用范圍也越來越廣，尤其在近年，網絡控制在電機、航空航天等領域均得到了廣泛關注。與傳統點對點控制相比，NCS主要優點是連線少，易于實現資源共享和遠程操作、成本低和擴展與維護方便等。但是信息通過網絡傳輸伴隨著時延及丟包等不確定因素的產生，因而增加了系統分析與設計的難度。

隨著電力電子技術和微電子技術的發展，促生了一種新型調速電動機，即有刷直流電機。由于其機構簡單，生產加工容易，維修方便，容易控制；還具有響應快速、較大的啟動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能；運行平穩，起、制動效果好等方面，目前已被廣泛應用到安防與門禁、航空和國防、機器人和工廠自動化、電動手持工具等領域。隨著工業生產規模的不斷擴大，對生產過程的安全要求的不斷提高，傳統的電機控制系統越來越無法滿足實際需求。現代網絡控制技術的發展，使得網絡化控制代替傳統控制方式成為可能。

網絡誘導時延通常分為長時延(大于一個系統采樣周期)和短時延(小于一個系統采樣周期)，其中長時延的情況在實際系統中出現的頻率并不高，長時延對控制系統會有很大的影響，工程上一般通過改善網絡協議和結構將時延盡可能地減小，但是短時延的存在往往是不可避免的。

本發明主要考慮如何降低網絡誘導時延對直流電機控制系統性能的影響，目前，在網絡控制系統的研究中，關于網絡誘導時延的控制仍是一個熱點問題。經過對國內外現有技術的檢索發現，在文獻RobustH_∞Model Reference Tracking Control for Networked Control Systems with Communication Constraints(INTERN-ATIONAL JOURNAL OF CONTROL AUTOMATION AND SYSTEMS,2009,7(6):992-1000)中,針對具有通信約束的連續時間網絡控制系統，研究H_∞模型參考跟蹤控制，提出了魯棒控制方法，獲得了良好的跟蹤控制效果。在文獻“一類不確定性網絡控制系統的滑模控制器設計(控制與決策,2006,21(10):1197-1200)”中，針對具有不確定性和外界干擾的網絡控制系統設計了一種滑模控制方法，該方法對系統不確定性和有外界干擾以及網絡誘導時延均具有較好的魯棒性，但所設計方法是基于連續時間系統，且在建模假設中，忽略了傳感器到控制器的時延，具有一定的保守性。

發明內容

為了克服上述設計方法的基于連續時間系統，且在建模假設中，忽略了傳感器到控制器的時延的不足，本發明提供了一種直流電機網絡化跟蹤控制器的方法。本發明基于連續時間系統的控制對象，考慮網絡誘導時延對連續系統離散化建模過程的影響，同時考慮傳感器到控制器和控制器到執行器雙向通道的時延，并利用不確定系統方法來處理網絡誘導短時延引起的指數時變項。進而基于網絡化H_∞跟蹤控制策略導出不確定增廣閉環系統的穩定化狀態反饋控制器，使得控制對象的輸出能夠跟蹤參考模型的輸出。

為了解決以上問題，本發明采用了如下技術方案：

直流電機網絡化跟蹤控制器的方法，包括以下步驟：

步驟1)建立考慮時變網絡誘導時延的直流電機控制系統模型。

考慮網絡誘導時延小于一個采樣周期的情況，將網絡化直流電機控制系統描述為一個具有一步輸入時滯的離散時間線性時變系統，進而用不確定系統方法處理時變時延引起的系統不確定性，包括以下過程：

1.1)建立直流電機的連續時間系統狀態方程

令直流電機連續時間狀態方程可以表示為：

其中，i是電樞繞組電流(A)，ω是轉子角速度(rad/s)，R是電樞繞組電阻(Ω)，L是電樞繞組電感(H)，K_v是反電動勢常數(V·s/rad)，K_m是電機轉矩常數(N·m/A)，J是系統轉動慣量(kg·m²)，b是系統的阻尼系數(N·m·sec/rad),u為控制量，y是輸出量；

1.2)獲得時變網絡誘導時延影響下的離散電機網絡化模型