一种采用自抗扰控制技术的网络化永磁同步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永磁同步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永磁同步电机控制系统模型。将网络化永磁同步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)设计扩张状态观测器设计，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)补偿网络化永磁同步电机控制系统中由时变时延引起的不确定动态。补偿过程可抵消系统中所有由时变时延引起的不确定动态和内外扰动。本发明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永磁同步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永磁同步电机控制问题，尤其是如何消除网络诱导时延对永磁同步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快速发展，永磁同步电机得以迅速的推广和应用。由于其低损耗、效率高、结构简单、响应快速、转矩惯性比高等优点，目前已被广泛应用到航空航天、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闻，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永磁同步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局限性，本发明采用自抗扰技术设计网络化永磁同步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]一种采用自抗扰控制技术的网络化永磁同步电机时延补偿和控制方法，所述方法包括以下过程:
[0009]步骤I)建立含有时变网络诱导时延的永磁同步电机控制系统模型，将网络化永磁同步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；网络化永磁同步电机控制系统模型扩张成如下的二阶系统模型:
【权利要求】
1.一种采用自抗扰控制技术的网络化永磁同步电机时延补偿和控制方法，其特征在于:所述方法包括以下过程: 步骤I)建立含有时变网络诱导时延的永磁同步电机控制系统模型,将网络化永磁同步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；网络化永磁同步电机控制系统模型扩张成如下的二阶系统模型:
步骤2)设计扩张状态观测器，过程包括: . 2.1)设计扩张状态观测器 用于估计系统(I)中两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，Z1GO是对电机转速X1GO的估计，Z2 (k)是对新扩张状态量X2 (k)的估计，11是积分步长汀&1(6(10，0.25，δ)为非线性函数，具体形式如式(3)所示；δ、β, Pci2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，signO为符号函数，具体表达式如式(4)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对永磁同步电机的转速以及新扩张的由网络诱导时延引起的不确动态进行估计。 步骤3)设计带有扩张状态观测器的网络化永磁同步电机自抗扰控制器，对网络化永磁同步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 将电机参考转速V，经过跟踪微分器获得转速V的过渡信号V1，将跳变的转速信号平滑化，式(5)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，e(k)为过渡信号和参考信号的差； .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X2 (k)的估计z2(k)，x2 (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 得到一个转速误差量，即ei (k) = V1 (k) -Z1 (k)，经过非线性组合计算出控制量Utl (k)，计算过程如式(6)所示:
在得到的控制量UtlGO中减去Z2 (k)得到新的控制量，即
补偿
过程可抵消系统中所有含有时变时延的总和扰动项。
2.根据权利要求1所述的采用自抗扰控制技术的网络化永磁同步电机时延补偿和控制方法，其特征在于:所述步骤I)中，具体过程如下: .1.1)永磁同步电机控制系统的线性化状态空间模型 永磁同步电机控制系统采用双环结构，内环为电流环，外环为速度环，永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，q轴为逆时针方向超前d轴90度，在随转子旋转的d_q坐标系上，永磁同步电机的理想传递函数模型是:
其中，id和iq是d_q坐标系上的定子电流，Rs为定子电阻，Ld和Lq是d_q坐标系上的定子等效电感，Pn为永磁同步电机的极对数，w为电机转子机械角速度，Ψ f为永久磁铁对应的转子磁链，?Υ为负载转矩，B为运动阻尼系数，J为电机与负载转动惯量之和，Ut^P u,是d-q坐标系上的定子电压。
由式⑵得:
其中，η为电机转速；令
X1 = n，u = i，则(8)式转化为:
g X1 = -UX1 - c + bu(9) 其中，X1为永磁同步电机的转速，u为定子电流； . 1.2)获得时变网络诱导时延影响下的网络化永磁同步电机控制系统模型 K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，永磁同步电机在一个周期内的控制输入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U (k-ι)，另一部分是当前周期计算得到的控制输入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(9)和(10)，离散化后的网络化永磁同步电机控制系统模型为:
将e_aT用1-aT近似后，将式(11)转化为:
将式(12)中由时变时延Tk引起的时变动态用一个新的状态变量X2(k)表示，SP
,由此将由式(12)表示的网络化永磁同步电机控制系统模型扩张成如(I)所示的二阶系统模型。
【文档编号】H02P23/12GK104201967SQ201410350645
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】张文安, 刘凯, 俞立 申请人:浙江工业大学