CN108663932A - 一种基于预见控制的矿用自卸车开关磁阻伺服电机控制系统 - Google Patents

一种基于预见控制的矿用自卸车开关磁阻伺服电机控制系统 Download PDF

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易灵芝
王力雄
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
    • G05B13/024—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

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Abstract

本发明公开了一种解决矿用自卸车输出滞后、系统延迟、控制精度不足的新型控制策略。实际系统一般都包含动态项，所以输出响应总是滞后于输入，即施加的控制量要延迟一段时间才能在被控制量上表现出来。随着现代对自动化产品的高速、高精度的要求，由于系统的跟踪滞后所产生的跟踪误差已经不可忽视，然而仅利用过去与当前目标信号的控制方法，要减小延迟引起的跟踪误差就需要系统具有较大的加速度，而过大的加速度会引起机械系统震动。而预见控制不仅利用过去与现在的目标值信号，还利用未来可知的目标值信号与未来可知的干扰信号作为前馈补偿，使得目标值与输出之间跟踪误差最小。本发明的技术效果在于：利用预见控制响应速度快、控制精度高的优点，来解决矿用自卸车驱动系统输出滞后、系统延迟的问题，以改善机电系统跟踪性能。

Description

一种基于预见控制的矿用自卸车开关磁阻伺服电机控制系统
技术领域
本发明涉及自卸汽车领域，具体是用预见控制解决矿用自卸车输出滞后、系统延迟、控制精度不足的问题。
背景技术
运动控制的目的是以测得信息作为反馈信号，控制系统输出跟踪参考输入。本系统为大负载大惯性系统，在滞后现象严重的情况下保证影响控制精度；并且根据设定的伺服分度器的运动模式，可规划出系统运动曲线，系统按所规划的曲线运动。
普通的PID控制、鲁棒控制、神经云控制等控制算法忽略了系统延迟，输出与输入之间存在滞后现象，难以满足矿用自卸车车载开关磁阻电机控制系统的控制要求。预见控制利用已知的未来目标信号及干扰信号，对系统施加前馈作用，可提高系统的动态响应能力，但这种控制方法需要对象准确的数学模型，当所建立的模型与实际系统存在误差或者系统受到外界干扰时，系统的鲁棒性差，而且对实际系统建立精确的数学模型玩玩比较困难。预测控制算法的三项基本原则中的滚动优化策略与反馈校正策略使系统具有较好的鲁棒性，这样只有当产生了系统误差后，反馈校正才会起作用，系统响应延迟。
发明内容
针对矿用自卸车驱动系统存在输出滞后、系统延迟、控制精度不足的问题，本发明公开了一种基于预见控制的矿用自卸车开关磁阻伺服电机控制系统。
本发明主要是通过如下方案所实现：实际系统一般都包含动态项，所以输出响应总是滞后于输入，即施加的控制量要延迟一段时间才能在被控制量上表现出来。随着现代对自动化产品的高速、高精度的要求，由于系统的跟踪滞后所产生的跟踪误差已经不可忽视，然而仅利用过去与当前目标信号的控制方法，要减小延迟引起的跟踪误差就需要系统具有较大的加速度，而过大的加速度会引起机械系统震动。而预见控制不仅利用过去与现在的目标值信号，还利用未来可知的目标值信号与未来可知的干扰信号作为前馈补偿，使得目标值与输出之间跟踪误差最小。
本发明的技术效果在于：利用预见控制响应速度快、控制精度高的优点，来解决矿用自卸车驱动系统输出滞后、系统延迟的问题，以改善机电系统跟踪性能。
附图说明
图1是预见伺服系统总体框图；
图2是电传动系统结合预见控制策略总体结构图。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。
由于矿用自卸车在露天矿山的生产系统中。承担土方剥离与矿石运输的任务，其工作特点为：单个周期运程较短，负荷变化大，运输路线相对固定，连续工作时间长。根据车辆在特定运行环境下的行驶工况，有针对地对不同工况下地车辆控制策略提出不同地优化方案，从而提高车辆地工作性能。图1是预见伺服系统总体框图，预见控制将前方路况信息作为控制系统未来地目标值，前方道路地凹凸情况作为控制系统未来地干扰值。车辆检测装置检测到前方道路相关数据作为预见信息运用到矿用自卸车闭环控制中。
图2为电传动系统结合预见控制策略总体结构图，其具体工作工程如下：矿用自卸车循环工况识别模块根据矿用自卸车的行驶状态判定当前工况类别，由预见控制检测系统进行预前控制，电传动系统根据决策类别按照相应解析规则解读驾驶员指令，得到发动机和驱动电机的目标功率，进而通过相应控制使发动机和驱动电机工作在相应状态下，最后根据当前驱动电机的转速判断是否对电机最大转速进行相应限制。
本系统的控制系统的控制方法是对所需控制量的计算完成后立即输出，且可保证运算时间小于采样时间，运算时间远远小于对象的动作时间。本系统采用偏微分最优化方法：先假定系统控制输入的形式，然后将它代入到二次型评价函数中，再对这个评价函数进行偏微分，求出其前馈系数，完成系统的设计。
步骤1：假设此矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统的线性离散状态方程为
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Ed(k) (1)
y(k)＝Cx(k) (2)
其中y(k)为矿用自卸车运动轨迹；d(k)为路面凹凸情况(干扰量)；u(k)为由k时刻的控制量；x(k)为受控量。
并定义误差信号为
e(k)＝R(k)-y(k) (3)
步骤2：假设矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统可控、可观测，并把误差与状态的一阶差分值作为新的状态变量，把输入的一阶差分值作为新的输入变量，导出误差系统为：
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GΔu(k)+GRΔR(k+1)+GdΔd(k) (4)
其中
若原系统可控且在Z＝1处没有不变零点，则误差系统可控。若原系统可观测且A正则，则误差系统可观测。假设误差系统可控可观测。
步骤3：设已知未来P步的目标值R(k)……R(k+P),定义误差系统的评价函数为包含误差项和输入项的二次型，表示如下
Q为半正定矩阵，H为正定矩阵(k＝1的时刻为目标值变化的时刻，非物理意义上的绝对时刻)
步骤4：定义矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统输入量为利用未来MR步的目标值信号与未来Md步的干扰信号的前馈控制输入的和，系统输入量为
预见前馈系数FR(j)和Fd(j)待定。
步骤5：在目标值预见情形下FR(0)＝0，所以最优结果的得出不需要用到当前的目标值ΔR(k)的信息。
最优预见伺服控制的输入为
uprev(k)的参量R(k)和d(k)是逐步向前递推的，且FR(j)和Fd(j)已知，得简化式
uprev(k)＝uprev(k-1)+FR(MR)R(k+MR)+Fd(Md)d(k+Md)-FR(1)R(k)-Fd(1)d(k-1)
(8)
预见控制量所产生的轨迹yprev(k)由系统差分方程即可求出，并将其作为前馈控制量输入到预测控制系统中，以提高矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统响应的快速性及系统跟踪精度。

Claims (2)

1.一种基于预见控制的矿用自卸车开关磁阻伺服电机控制系统，其特征在于：实际系统一般都包含动态项，所以输出响应总是滞后于输入，即施加的控制量要延迟一段时间才能在被控制量上表现出来。预见控制不仅利用过去与现在的目标值信号，还利用未来可知的目标值信号与未来可知的干扰信号作为前馈补偿，使得目标值与输出之间的跟踪误差最小。本系统的控制方法是，对所需控制量的计算完成后立即输出，且可保证运算处理时间小于采样时间，运算时间远远小于对象的动作时间，因此伺服分度控制系统可看作是无输入滞后系统。预见控制系统的设计问题就是利用未来信息求解使评价函数最小的预见控制输入的问题，本开关磁阻电机伺服系统采用偏微分最优方法：先假定系统输入的形式，然后将它代入到二次型评价函数中，再对这个评价函数进行偏微分，求出使它最小的预见前馈系数，从而完成最优控制器的设计。
2.基于权利要求1提出的一种用于基于预见控制的矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统，它的具体实施步骤如下：
步骤1：假设此矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统的线性离散状态方程为
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Ed(k) (1)
y(k)＝Cx(k) (2)
其中y(k)为矿用自卸车运动轨迹；d(k)为路面凹凸情况(干扰量)；u(k)为由k时刻的控制量；x(k)为受控量。
并定义误差信号为
e(k)＝R(k)-y(k) (3)
步骤2：假设矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统可控、可观测，并把误差与状态的一阶差分值作为新的状态变量，把输入的一阶差分值作为新的输入变量，导出误差系统为：
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GΔu(k)+GRΔR(k+1)+GdΔd(k) (4)
其中
若原系统可控且在Z＝1处没有不变零点，则误差系统可控。若原系统可观测且A正则，则误差系统可观测。假设误差系统可控可观测。
步骤3：设已知未来P步的目标值R(k)……R(k+P),定义矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制误差系统的评价函数为包含误差项和输入项的二次型，表示如下
Q为半正定矩阵，H为正定矩阵(k＝1的时刻为目标值变化的时刻，非物理意义上的绝对时刻)
步骤4：定义矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统输入量为利用未来MR步的目标值信号与未来Md步的干扰信号的前馈控制输入的和，系统输入量为
预见前馈系数FR(j)和Fd(j)待定。
步骤5：在目标值预见情形下FR(0)＝0，所以最优结果的得出不需要用到当前的目标值ΔR(k)的信息。
最优预见伺服控制的输入为
uprev(k)的参量R(k)和d(k)是逐步向前递推的，且FR(j)和Fd(j)已知，故可得简化式
uprev(k)＝uprev(k-1)+FR(MR)R(k+MR)+Fd(Md)d(k+Md)-FR(1)R(k)-Fd(1)d(k-1) (8)
预见控制量所产生的轨迹yprev(k)由系统差分方程即可求出，并将其作为前馈控制量输入到预测控制系统中，以提高矿用自卸车开关磁阻电机伺服电机控制系统响应的快速性及系统跟踪精度。
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