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
【专利摘要】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；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系统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系统内外扰动以及模型不确定性均具有很强的抑制能力。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001] 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系统性能的影响，实现一种有效的 实时控制方法。
【背景技术】
[0002] 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，传统的电机控制系统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。
[0003] 网络化控制系统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系统。与传统的控制系统相比具有诸多优点，比如可远程 操控、减少系统的连线、便于安装与维护以及系统信息集成和共享等。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 系统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。
[0004] 网络诱导时延通常分为长时延（大于一个系统采样周期）和短时延（小于一个系 统米样周期），其中长时延的情况在实际系统中出现的频率并不1?，长时延对运动控制系统 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。
[0005] 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系统性能 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 是会导致系统控制输入不能及时更新，降低了系统的控制性能。
【发明内容】
[0006] 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 系统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系统内外扰动以及模型不确定 性均具有很强的抑制能力。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
[0008] -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：
[0009] 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。
[0010] 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，具体过程包括：
[0011] 1. 1)建立无刷直流电机控制系统的线性化传递函数模型
[0012] 无刷直流电机控制系统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系统的二阶系统模型，其传递函 数为：
【权利要求】
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：
(1) ，1"是定子相绕组的电阻，L是绕组的 自感，Μ是两相绕组间的互感，&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： (2) X2 = -cxl - ax2 + bu 其中，Xl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C7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-l)，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：
(3) 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：
(4) 将，用Ι-aT近似后，将式⑷化为：
，并4
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，Xi (k+1)、x2(k+l)、x3(k+l)分别为电机转速Xi (k)、电机加速度x2(k)、新扩张状态 量&00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，Zl(k)是 对电机转速Xl(k)的估计，z2(k)是对电机加速度&〇〇的估计，z3(k)是对新扩张状态量 巧(1〇的估计，11是积分步长汀 &1&(1〇,0.25,6)为非线性函数，具体如式（8)所示，6、 β Q1、β (|2、β (|3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：
(9) 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 Vl，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：
(10) 其中，r为快速跟踪因子，h为积分步长，1?为滤波因子，fhan (e (k)，v2 (k)，r, 1?)为最 速控制综合函数，fhanUp 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z 3(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 ejk) = ViQO-zJk)和62(1〇 =v2(k)-z2(k),经过非线性组合可计算出控制量uQ(k),计算 过程如式（12)所示：
(12) 在得到的控制量U(l(k)中减去z3(k)得到新的控制量，即
讣偿 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。
【文档编号】G05B13/04GK104142627SQ201410314689
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】张文安, 刘凯, 俞立 申请人:浙江工业大学