一种基于延时、滞后补偿的改进型自抗控制速度控制器的制作方法

1.本发明涉及控制器领域，尤其涉及一种基于延时、滞后补偿的改进型自抗控制速度控制器。


背景技术：

2.随着我国经济的发展、交通压力的增大，轨道车辆成为越来越重要的轨道交通工具。牵引系统作为车辆的核心部件，其性能直接影响到轨道车辆的控制性能。目前国内大部分轨道车辆定速时都采用速度环的pi控制和线性自抗扰控制，但是由于轨道车辆的牵引系统是一个具有较大惯性和延时的系统，因此速度环控制存在滞后环节的影响，导致系统不稳定、速度环控制效果不佳、鲁棒性变差等问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于延时、滞后补偿的改进型自抗控制速度控制器，以克服速度环控制存在滞后环节的影响等技术问题。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
5.一种基于延时、滞后补偿的改进型自抗控制速度控制器，包括：p控制模块、补偿模块和基于零阶保持器的被控对象等效传递函数模块，用于将被控对象的闭环控制系统的滞后时间定义为被控对象的滞后时间；
6.所述p控制模块接收被控对象的角速度偏差信号e得到第一转矩电流信号u0，补偿模块接收转矩电流信号u0进行滞后和转动惯量比例处理获得补偿后的第二转矩电流信号u1，基于零阶保持器的被控对象等效传递函数模块接收第二转矩电流信号u1获得输出转速信号ωr。
7.进一步的，所述增加补偿环节和零阶保持器具体为：
8.步骤1、获取闭环控制系统的目标闭环z传递函数w(z)；
9.步骤2、对被控对象的传递函数进行离散拉普拉斯变换得到被控对象的z域传递函数g(z)；
10.步骤3、结合闭环控制系统的目标闭环z传递函数w(z)和被控对象的z域传递函数g(z)获得控制器前向通道传递函数d(z)；
11.步骤4、结合闭环控制系统前向通道传递函数d(z)和设定的控制器比例系数kp获得补偿函数c(z)，所述补偿函数即为补偿模块的传递函数。所述步骤1中目标闭环z传递函数w(z)的具体计算公式为：
[0012][0013]
其中，z代表闭环控制系统中的闭环传递函数的z域变换，z是与时域信号t对应的z域信号；代表零阶保持器的传递函数，代表与被控对象含有相同滞后时间的闭
环系统期望传递函数，n代表时间常数，t代表时域信号采样时间。
[0014]
进一步的，步骤2中对被控对象的传递函数进行离散拉普拉斯变换得到被控对象的z域传递函数g(z)具体计算公式为：
[0015][0016]
q＝n*t
[0017][0018]
其中，g(s)代表被控对象的传递函数，k代表被控对象的转动惯量比例系数，e-qs
代表被控对象纯滞后环节传递函数，q代表被控对象的延时和滞后时间，s代表与时域信号t对应的s域信号，τ1代表被控对象的惯性时间常数。
[0019]
进一步的，所述步骤3结合闭环控制系统的目标闭环z传递函数w(z)和被控对象的z域传递函数g(z)获得控制器前向通道传递函数d(z)的具体计算公式为：
[0020][0021]
进一步的，获得补偿函数c(z)的具体计算公式为：
[0022][0023]
进一步的，被控对象的转动惯量比例系数k的具体计算公式为：
[0024]
步骤2.1、获得异步电机运动方程e(t)，获得异步电机运动方程e(t)的具体计算公式为：
[0025][0026][0027]
其中，te代表电磁转矩，t
l
代表负载转矩，j代表转动惯量，ω代表角速度，n
p
为电机极对数，lm为电机互感，lr为转子电感，ψd为磁链，i
sq
是被控对象的输入控制量u；
[0028]
步骤2.2、对异步电机运动方程e(t)进行拉普拉斯变换，求得异步电机运动传递函数ω，进而获得被控对象的转动惯量比例系数k，获得被控对象的转动惯量比例系数k的具体计算公式为；
[0029]
t
e-t
l
＝(js+1)ω
[0030][0031]
[0032]
有益效果：本发明主要解决传统自抗扰控制无法对系统的延时和滞后进行有效处理的问题，对自抗扰控制器进行改进，增加控制器补偿环节，利用闭环控制系统目标闭环z传递函数w(z)抵消被控对象纯滞后环节，使整个系统的闭环传递函数与被控对象一样存在相同时间的滞后，使系统无超调、系统稳定。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明基于延时、滞后补偿的改进型自抗扰控制框图；
[0035]
图2为本发明基于延时、滞后补偿的改进型自抗扰控制等效框图；
[0036]
图3为传统速度环自抗扰控制框图；
[0037]
图4为传统的速度环自抗扰控制等效框图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
本实施例提供了一种基于延时补偿的改进型自抗控制速度控制器，如图1-2，一种基于延时补偿的改进型自抗控制速度控制器，包括：p控制模块、补偿模块和基于零阶保持器的被控对象等效传递函数模块，用于将被控对象的闭环控制系统的滞后时间定义为(等于)被控对象的滞后时间；
[0040]
所述p控制模块接收被控对象的角速度偏差信号e得到第一转矩电流信号u0，补偿模块接收转矩电流信号u0进行滞后和转动惯量比例处理获得补偿后的第二转矩电流信号u1，基于零阶保持器的被控对象等效传递函数模块接收第二转矩电流信号u1获得输出转速信号ωr，其中被控对象为异步电机速度控制系统纯滞后惯性环节。
[0041]
在具体实施例中，所述增加补偿环节和零阶保持器具体为：
[0042]
步骤1、获取闭环控制系统的目标闭环z传递函数w(z)；
[0043]
步骤2、对被控对象的传递函数进行离散拉普拉斯变换(z变换)得到被控对象的z域传递函数g(z)；
[0044]
步骤3、结合闭环控制系统的目标闭环z传递函数w(z)和被控对象的z域传递函数g(z)获得控制器前向通道传递函数d(z)；
[0045]
步骤4、结合闭环控制系统前向通道传递函数d(z)和设定的控制器比例系数kp获得补偿函数c(z)，所述补偿函数即为补偿模块的传递函数。
[0046]
在具体实施例中，所述步骤1中目标闭环z传递函数w(z)的具体计算公式为：
[0047]
[0048]
其中，z代表闭环控制系统中的闭环传递函数的z域变换，z是与时域信号t对应的z域信号；代表零阶保持器的传递函数，代表与被控对象含有相同滞后时间的闭环系统期望传递函数，n代表时间常数，t代表时域信号采样时间。
[0049]
在具体实施例中，步骤2中对被控对象的传递函数进行离散拉普拉斯变换(z变换)得到被控对象的z域传递函数g(z)具体计算公式为：
[0050][0051]
q＝n*t
[0052][0053]
其中，g(s)代表被控对象的传递函数，k代表被控对象的转动惯量比例系数，e-qs
代表被控对象纯滞后环节传递函数，q代表被控对象的延时和滞后时间，s代表与时域信号t对应的s域信号，τ1代表被控对象的惯性时间常数。对被控对象的传递函数进行离散拉普拉斯变换体现了一阶惯性环节与积分环节的等效关系。
[0054]
在具体实施例中，所述步骤3结合闭环控制系统的目标闭环z传递函数w(z)和被控对象的z域传递函数g(z)获得控制器前向通道传递函数d(z)的具体计算公式为：
[0055][0056]
在具体实施例中，获得补偿函数c(z)的具体计算公式为：
[0057][0058]
在具体实施例中，被控对象的转动惯量比例系数k的具体计算公式为：
[0059]
步骤2.1、获得异步电机运动方程e(t)，获得异步电机运动方程e(t)的具体计算公式为：
[0060][0061][0062]
其中，te代表电磁转矩，t
l
代表负载转矩，j代表转动惯量，ω代表角速度，n
p
为电机极对数，lm为电机互感，lr为转子电感，ψd为磁链，i
sq
是被控对象的输入控制量u；
[0063]
步骤2.2、对异步电机运动方程e(t)进行拉普拉斯变换，求得异步电机运动传递函数ω，进而获得被控对象的转动惯量比例系数k，获得被控对象的转动惯量比例系数k的具体计算公式为；
[0064]
t
e-t
l
＝(js+1)ω
[0065][0066][0067]
如图3和图4所示，为传统速度环自抗扰控制框图。其中自抗扰控制器部分，令控制量u进行如下变换：
[0068][0069]
则当f的估计值准确时，被控对象y就变为纯积分器了
[0070][0071]
如图1和图2所示，bo是控制器，leso为线性的观测器，基于零阶保持器的被控对象等效传递函数模块包括零阶保持器、积分模块和滞后模块，ω
r*
代表控制系统角速度给定，ωr是系统输出的实际角速度(转速信号)，角速度给定ω
r*
和实际角速度ωr相减得到角速度偏差信号e，通过增加控制器补偿模块，利用闭环控制系统目标闭环z传递函数w(z)抵消被控对象纯滞后环节，使整个系统的闭环传递函数与被控对象一样存在相同时间的滞后，使系统无超调、系统稳定。
[0072]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。