[发明专利]直流电机网络化跟踪控制器的方法

说明书

技术领域

本发明一种直流电机网络化跟踪控制器的方法，属于网络化控制领域，具体为如何消除时变网络诱导时延对直流电机控制系统性能的影响。

背景技术

随着计算机与网络技术的不断发展，自动化技术逐渐向网络化与信息化方向发展，网络控制系统(NCS)应运而生，其应用范围也越来越广，尤其在近年，网络控制在电机、航空航天等领域均得到了广泛关注。与传统点对点控制相比，NCS主要优点是连线少，易于实现资源共享和远程操作、成本低和扩展与维护方便等。但是信息通过网络传输伴随着时延及丢包等不确定因素的产生，因而增加了系统分析与设计的难度。

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，即有刷直流电机。由于其机构简单，生产加工容易，维修方便，容易控制；还具有响应快速、较大的启动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能；运行平稳，起、制动效果好等方面，目前已被广泛应用到安防与门禁、航空和国防、机器人和工厂自动化、电动手持工具等领域。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。

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(小于一个系统采样周期)，其中长时延的情况在实际系统中出现的频率并不高，长时延对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。

本发明主要考虑如何降低网络诱导时延对直流电机控制系统性能的影响，目前，在网络控制系统的研究中，关于网络诱导时延的控制仍是一个热点问题。经过对国内外现有技术的检索发现，在文献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,针对具有通信约束的连续时间网络控制系统，研究H_∞模型参考跟踪控制，提出了鲁棒控制方法，获得了良好的跟踪控制效果。在文献“一类不确定性网络控制系统的滑模控制器设计(控制与决策,2006,21(10):1197-1200)”中，针对具有不确定性和外界干扰的网络控制系统设计了一种滑模控制方法，该方法对系统不确定性和有外界干扰以及网络诱导时延均具有较好的鲁棒性，但所设计方法是基于连续时间系统，且在建模假设中，忽略了传感器到控制器的时延，具有一定的保守性。

发明内容

为了克服上述设计方法的基于连续时间系统，且在建模假设中，忽略了传感器到控制器的时延的不足，本发明提供了一种直流电机网络化跟踪控制器的方法。本发明基于连续时间系统的控制对象，考虑网络诱导时延对连续系统离散化建模过程的影响，同时考虑传感器到控制器和控制器到执行器双向通道的时延，并利用不确定系统方法来处理网络诱导短时延引起的指数时变项。进而基于网络化H_∞跟踪控制策略导出不确定增广闭环系统的稳定化状态反馈控制器，使得控制对象的输出能够跟踪参考模型的输出。

为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：

直流电机网络化跟踪控制器的方法，包括以下步骤：

步骤1)建立考虑时变网络诱导时延的直流电机控制系统模型。

考虑网络诱导时延小于一个采样周期的情况，将网络化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，进而用不确定系统方法处理时变时延引起的系统不确定性，包括以下过程：

1.1)建立直流电机的连续时间系统状态方程

令直流电机连续时间状态方程可以表示为：

其中，i是电枢绕组电流(A)，ω是转子角速度(rad/s)，R是电枢绕组电阻(Ω)，L是电枢绕组电感(H)，K_v是反电动势常数(V·s/rad)，K_m是电机转矩常数(N·m/A)，J是系统转动惯量(kg·m²)，b是系统的阻尼系数(N·m·sec/rad),u为控制量，y是输出量；

1.2)获得时变网络诱导时延影响下的离散电机网络化模型