CN103223938A - 一种用于飞机电刹车无刷直流电机的灰色滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于飞机电刹车无刷直流电机的灰色滑模控制方法，采集电机转速和两组电机绕组的电流反馈信号，经压力观测器得电机转速微分和压力观测值微分，计算观测的刹车压力后建立灰色模型，计算刹车压力误差并建立滑模线，计算角速度误差信号后进行速度环PID控制，最终计算电流误差信号，进行均流环PID控制。本发明提高了刹车系统的可靠性和鲁棒性，减少了外界环境对压力传感器的干扰。

Description

一种用于飞机电刹车无刷直流电机的灰色滑模控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于飞机电刹车双Y型无刷直流电机的控制方法。

背景技术

飞机刹车系统是飞机上具有相对独立功能的子系统，其作用突出，可靠性要求很高。全电刹车作动装置防滑性能好，刹车效率高，可维修性强。目前，电刹车控制系统研究成果有：发表于《计算机测量与控制》的文章《飞机全电刹车驱动器设计与关键技术研究》是一种基于CPLD和DSP为刹车系统主要控制芯片的控制器的技术。但是，其作动电机为单余度电机，可靠性不高；发表于《微特电机》的文章《飞机双余度全电刹车驱动控制器设计与研究》，采用双余度设计，但是其控制方法仍沿用经典的PID控制，对于非线性较强的系统控制精度不高，刹车系统鲁棒性不强。同时，刹车压力传感器易受外界工作环境干扰，严重时影响飞机刹车系统正常工作。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于飞机电刹车无刷直流电机的灰色滑模控制方法，提高飞机电刹车系统鲁棒性，减少了外界环境对压力传感器的干扰。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，控制器分别采集电机转速ω_r、电机绕组1电流反馈信号i₁及电机绕组2电流反馈信号i₂，转至第二步。

第二步，经压力观测器：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{C_{T1}}{J}{i}_1+\frac{C_{T2}}{J}{i}_2-\frac{1}{J}\hat{P}-\frac{B}{J}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r+c_1({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\\ \stackrel{\stackrel{\·}{^}}{P}=c_2({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\end{array}\right.$

得电机转速微分

和压力观测值微分

其中，C_T1为电机绕组1转矩常数，C_T2为电机绕组2转矩常数，J为电机转动惯量，为压力观测值，

为电机转速观测值，c₁为观测器系数（0＜c₁＜100000），c₂为观测器系数（-50000＜c₁＜0）。转至第三步。

第三步，计算观测的刹车压力

转至第四步。

第四步，建立灰色模型GM(1,1)：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b

系统相应的白化方程为：

$\frac{x^{\left(1\right)}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}\left(t\right)=b$

其中，参数-a为发展系数，反映了灰色系统GM(1,1)的发展态势，参数b为灰色作用量，是从背景值中发掘出来的的数据。

连续采集t-4,...t,时刻计算的观测的刹车压力

构成非负序列 $X^{\left(0\right)}=(\hat{P}(t-4),\hat{P}(t-3),\hat{P}(t-2),\hat{P}(t-1),\hat{P}\left(t\right)).$

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))

其中， $x^{\left(1\right)}\left(k\right)=\underset{i=t-4}{\overset{t-5+k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}^{\left(0\right)}\left(i\right)$ k=1，2,..;转至第五步。

第五步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))，其中， $z^{\left(1\right)}\left(k\right)=\frac{1}{2}(x^{\left(1\right)}\left(k\right)+x^{\left(1\right)}(k-1))$ k=2，..，;转至第六步。

第六步，计算中间矩阵Y，B^T

其中，

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}(3& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

则灰色系统GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；转至第七步。

第七步，计算刹车系统t+1时刻预测压力：

$\tilde{P}=[\hat{P}(t-4)-\frac{b}{a}]e^{-5a}(1-e^a);$ 转至第八步。

第八步，控制器接收给定刹车压力P_gv；转至第九步。

第九步，计算刹车压力误差

转至第十步。

第十步，建立滑模线

其中，

为对压力误差的一次微分;c为误差系数，其取值范围在此设定为0＜c＜10；转至第十一步。

第十一步，采集电机角速度ω，计算角速度给定ω_gv，其中：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gv}}=[\mathrm{Jc}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{gv}}-\mathrm{Jc\ω}+J{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{gv}}+\mathrm{B\ω}+T_L+\mathrm{J\ξsgn}\left(s\right)+\mathrm{Jks}]/K_T$

式中：J为负载转动惯量，为对给定压力的一次微分，

为给定压力的二次微分，B为粘滞系数，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；转至第十二步。

第十二步，计算角速度误差信号e_ω＝ω_gv-ω；转至第十三步。

第十三步，进行速度环PID控制，PID输出作为电流环给定

转至第十四步。

第十四步，计算均流电流给定

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_1=\hat{i}/2\\ {\hat{i}}_2=\hat{i}/2\end{array}\right.;$ 转至第十五步。

第十五步，计算电流误差信号

及

转至第十六步。

第十六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；转至第一步。

本发明的有益效果是：以双余度无刷直流电机作为作动电机，提高刹车系统的可靠性，提出了一种滑模均流控制策略，平衡电机两套绕组电流，解决力纷争问题，同时提高飞机电刹车系统鲁棒性。为了抑制滑模控制带来的抖振，引入灰色模型预测，消除抖振。设计压力观测器对压力进行观测，减少了外界环境对压力传感器的干扰。

附图说明

图1为控制过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

第一步，控制器分别采集电机转速ω_r,分电机绕组1电流反馈信号i₁及电机绕组2电流反馈信号i₂，转至第二步。

第二步，经压力观测器：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{C_{T1}}{J}{i}_1+\frac{C_{T2}}{J}{i}_2-\frac{1}{J}\hat{P}-\frac{B}{J}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r+c_1({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\\ \stackrel{\stackrel{\·}{^}}{P}=c_2({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\end{array}\right.$

得电机转速微分

和压力观测值微分

其中，C_T1为电机绕组1转矩常数，C_T2为电机绕组2转矩常数，J为电机转动惯量，

为压力观测值，

为电机转速观测值，c₁为观测器系数（0＜c₁＜100000），c₂为观测器系数（-50000＜c₁＜0）。转至第三步。

第三步，计算观测的刹车压力

转至第四步。

第四步，建立灰色模型GM(1,1)：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b

系统相应的白化方程为：

$\frac{x^{\left(1\right)}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}\left(t\right)=b$

其中，参数-a为发展系数，反映了灰色系统GM(1,1)的发展态势，参数b为灰色作用量，是从背景值中发掘出来的的数据。

连续采集t-4,...t,时刻计算的观测的刹车压力

构成非负序列 $X^{\left(0\right)}=(\hat{P}(t-4),\hat{P}(t-3),\hat{P}(t-2),\hat{P}(t-1),\hat{P}\left(t\right)).$

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))

其中， $x^{\left(1\right)}\left(k\right)=\underset{i=t-4}{\overset{t-5+k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}^{\left(0\right)}\left(i\right)$ k=1，2,..;转至第五步。

第五步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))其中， $z^{\left(1\right)}\left(k\right)=\frac{1}{2}(x^{\left(1\right)}\left(k\right)+x^{\left(1\right)}(k-1))$ k=2，..，;转至第六步。

第六步，计算中间矩阵Y，B^T

其中，

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}(3& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

则灰色系统GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；转至第七步。

第七步，计算刹车系统t+1时刻预测压力：

$\tilde{P}=[\hat{P}(t-4)-\frac{b}{a}]e^{-5a}(1-e^a);$ 转至第八步。

第八步，控制器接收给定刹车压力P_gv；转至第九步。

第九步，计算刹车压力误差

转至第十步。

第十步，建立滑模线

其中，

为对压力误差的一次微分;c为误差系数，其取值范围在此设定为0＜c＜10；转至第十一步。

第十一步，采集电机角速度ω，计算角速度给定ω_gv，其中：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gv}}=[\mathrm{Jc}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{gv}}-\mathrm{Jc\ω}+J{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{gv}}+\mathrm{B\ω}+T_L+\mathrm{J\ξsgn}\left(s\right)+\mathrm{Jks}]/K_T$

式中：J为负载转动惯量，

为对给定压力的一次微分，为给定压力的二次微分，B为粘滞系数，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；转至第十二步。

第十二步，计算角速度误差信号e_ω＝ω_gv-ω；转至第十三步。

第十三步，进行速度环PID控制，PID输出作为电流环给定

；转至第十四步。

第十四步，计算均流电流给定其中：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_1=\hat{i}/2\\ {\hat{i}}_2=\hat{i}/2\end{array}\right.;$ 转至第十五步。

第十五步，计算电流误差信号

及

转至第十六步。

第十六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；转至第一步。

Claims (1)

1.一种用于飞机电刹车无刷直流电机的灰色滑模控制方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，控制器分别采集电机转速ω_r、电机绕组1电流反馈信号i₁及电机绕组2电流反馈信号i₂；

第二步，经压力观测器：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{C_{T1}}{J}{i}_1+\frac{C_{T2}}{J}{i}_2-\frac{1}{J}\hat{P}-\frac{B}{J}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r+c_1({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\\ \stackrel{\stackrel{\·}{^}}{P}=c_2({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\end{array}\right.$

得电机转速微分

和压力观测值微分

其中，C_T1为电机绕组1转矩常数，C_T2为电机绕组2转矩常数，J为电机转动惯量，

为压力观测值，

为电机转速观测值，c₁为观测器系数，0＜c₁＜100000，c₂为观测器系数，-50000＜c₁＜0；

第三步，计算观测的刹车压力

第四步，建立灰色模型GM(1,1)：x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b，

系统相应的白化方程为： $\frac{x^{\left(1\right)}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}\left(t\right)=b,$

其中，-a为发展系数，b为灰色作用量，

连续采集t-4,...t,时刻计算的观测的刹车压力

构成非负序列 $X^{\left(0\right)}=(\hat{P}(t-4),\hat{P}(t-3),\hat{P}(t-2),\hat{P}(t-1),\hat{P}\left(t\right));$

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))；

其中， $x^{\left(1\right)}\left(k\right)=\underset{i=t-4}{\overset{t-5+k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}^{\left(0\right)}\left(i\right)$ k=1，2..，;

第五步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))，其中， $z^{\left(1\right)}\left(k\right)=\frac{1}{2}(x^{\left(1\right)}\left(k\right)+x^{\left(1\right)}(k-1))$ k=2,..,;

第六步，计算中间矩阵Y，B^T

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}(3& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

则灰色系统GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；

第七步，计算刹车系统t+1时刻预测压力： $\tilde{P}=[\hat{P}(t-4)-\frac{b}{a}]e^{-5a}(1-e^a);$

第八步，控制器接收给定刹车压力P_gv；

第九步，计算刹车压力误差

第十步，建立滑模线

其中，

为对压力误差的一次微分；c为误差系数，0＜c＜10；

第十一步，采集电机角速度ω，计算角速度给定ω_gv，其中：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gv}}=[\mathrm{Jc}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{gv}}-\mathrm{Jc\ω}+J{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{gv}}+\mathrm{B\ω}+T_L+\mathrm{J\ξsgn}\left(s\right)+\mathrm{Jks}]/K_T$

式中：J为负载转动惯量，

为对给定压力的一次微分，为给定压力的二次微分，B为粘滞系数，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；

第十二步，计算角速度误差信号e_ω＝ω_gv-ω；

第十三步，进行速度环PID控制，PID输出作为电流环给定

第十四步，计算均流电流给定

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_1=\hat{i}/2\\ {\hat{i}}_2=\hat{i}/2\end{array}\right.;$

第十五步，计算电流误差信号

第十六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；转至第一步。

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