CN110471327A - 基于网络化控制的开关磁阻电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机新型网络控制系统，传统控制系统一般都比较笨重，系统稳定性低，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，电机与控制器、传感器之间的信号传递经通信网络直接传输。网络承担了整个系统的闭环回路连接，其结构上的特点是给每一个电机配备一个网络接口单元，此接口单元承担信息调制解调功能。本发明的技术效果在于：利用网络控制可靠性高、容错和故障诊断能力强、便于远程操作和控制等优点，来解决传统控制系统输出滞后、系统不稳定等问题，以改善机电系统鲁棒性和可靠性。

Description

基于网络化控制的开关磁阻电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机领域，具体是用将网络化控制引入开关磁阻电机，以提升其鲁棒性和稳定性。

背景技术

进入21世纪后，随着计算机科学、机械电子科学、通信科学以及控制科学等学科之间相互交叉渗透不断推动着传统控制系统在结构上发生根本性的变化，网络技术与自动化控制技术进一步融合，因此出现网络化控制系统，其主要特点是将通信系统引入传统控制系统中，使得控制系统中的信号和数据能够通过网络在传感器、执行器、控制器等各部件之间进行传输与交换。

相比于传统控制系统，网络化控制系统具有诸多优点，如系统成本低、系统结构简单、易于安装和维护、可靠性高、容错和故障诊断能力强，便于远程操作与控制等。

发明内容

针对传统控制系统状态不稳定，控制精度不足的问题，本发明提出将网络控制系统应用于开关磁阻电机，可以有效提升系统的性能。

本发明主要是通过如下方案所实现：

基于网络化控制的开关磁阻电机控制系统；

开关磁阻电机的网络化控制结构通常由两种方式实现：径直结构和分层结构，其中径直结构的主要特点是电机与控制器、传感器之间的信号传递经通信网络直接传输。网络承担了整个系统的闭环回路连接，其结构上的特点是给每一个电机配备一个网络接口单元，此接口单元承担信息调制解调功能。具体来说就是将控制器的网络通道的流通信号转化为实际控制信号，将传感器收集到的反馈信息转化为控制器能接受的数据结构，并传输到控制器中，构成反馈闭环。

附图说明

图1是网络化控制系统

图2是网络化开关磁阻电机系统模型

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。

由于计算机技术和网络通信技术的进步，工业控制系统产生很多重大变化。网络化控制系统应运而生。网络控制就是将计算机网络引入控制系统，从而将一个闭环控制系统中的传感器，控制器，执行器等主要组成部件，通过网络连接成一个整体。

图1为网络化控制系统，网络中除了主控制器之外，给每一个电机都安装了一个单独的控制器，称为远端控制器。这些控制器和电机本体的物理距离很近，系统的主控制器承担了控制网络中的绝大多数运算，并将运算好的结果通过网络传送给远端控制器。然后远端控制器根据主控制器发送的控制信号执行电机控制指令，并将传感器测量数据返还给主控制器。

图2为网络化开关磁阻电机系统模型，由于网络的引入，牵引控制系统中的信号传输必将产生延时。在一般情况下，主要存在两种方式的时延：一种为传感器到网络控制器的时延，另一种是网络控制器到牵引控制单元的时延。

本系统的控制系统规则是连接这四个部分的信息通道，使之形成闭环控制系统。网络承担了整个伺服系统的闭环回路连接，其结构特点是给每一个电机配置一个网络接口单元，这个接口单元承担了信息的调制解调的功能。具体来说就是将控制器的网络信道的流通信号转化为实际控制信号，将传感器收集到的反馈信息转化为控制器所能接受的数据结构。

步骤1：对网络化开关磁阻控制系统作如下假设：

(1)传感器是事件驱动的，采样周期为h，将采样得到的开关磁阻电机数据打包，并通过网络发送到中央控制器。

(2)中央控制器是事件驱动的，每当数据包到达控制器，开始计算控制信号并将计算结果通过网络发送给执行机构。

(3)执行机构为事件驱动，假设开关磁阻电机系统执行器和传感器是同步的，具有相同的采样周期h(h>0)。

(4)主控制器至开关磁阻电机的传输时延和传感器至主控制器的传输时延分别为和τ_sc，则总系统的时延为τ_k＝τ_ca+τ_sc。当系统中存在网络时延，则控制器在第kh时刻采集到的状态值会在时刻kh+τk到达控制器，可以设计状态反馈控制器为：

令d(t)＝t-kh，则有kh＝t-d(t) (2)

其中d(t)是时滞。

步骤2：由于x(t)∈R^n×n是状态变量，矩阵A，A_d是适当维数矩阵。d(t)满足条件：

0≤d(t)≤h (4)

d(t)≤μ (5)

步骤3：网络化控制系统稳定性分析：给定标量h＞0和μ，如果存在p＝p^T，Q＝Q^T≥0，Z＝Z^T＞0，适当维数的任意矩阵N1，N2，使如下矩阵不等式成立。

则满足时滞约束的标称系统(3)是渐进稳定的，其中：

步骤4：构造Lyapunov-Krasovskii函数：

V(x,t)＝V₁+V₂+V₃ (9)

V₁(x,t)＝x^T(t)Px(t) (10)

计算V(x,t)沿着系统(3)的导数：

令

由于存在积分项γ，本系统采用自由权矩阵方法，将γ看为一个二次型的积分。设这个二次型为η₂ ^THη₂，其中

根据牛顿-莱布尼茨公式，有：

步骤5：引入适合维数的矩阵N₁和N₂，则有：

则对于任意合适维数矩阵有：

其中

令(23)<0,可得：

由此可知当Ξ<0时，上式<0，开关磁阻电机网络化控制系统是鲁棒且稳定的。

Claims (2)

1.基于网络化控制的开关磁阻电机控制系统，其特征在于：实际经典控制系统一般有四个部分组成，分别是控制器、执行器、传感器和被控对象。本系统的控制系统规则是连接这四个部分的信息通道，使之形成闭环控制系统。网络承担了整个伺服系统的闭环回路连接，其结构特点是给每一个电机配置一个网络接口单元，这个接口单元承担了信息的调制解调的功能。具体来说就是将控制器的网络信道的流通信号转化为实际控制信号，将传感器收集到的反馈信息转化为控制器所能接受的数据结构。

2.基于权利要求1提出的一种用于基于网络化控制的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：对网络化开关磁阻控制系统作如下假设：

(1)传感器是事件驱动的，采样周期为h，将采样得到的开关磁阻电机数据打包，并通过网络发送到中央控制器；

(2)中央控制器是事件驱动的，每当数据包到达控制器，开始计算控制信号并将计算结果通过网络发送给执行机构；

(3)执行机构为事件驱动，假设开关磁阻电机网络化控制系统执行器和传感器是同步的，具有相同的采样周期h(h>0)；

(4)主控制器至开关磁阻电机的传输时延和传感器至主控制器的传输时延分别为和τ_sc，则总系统的时延为τ_k＝τ_ca+τ_sc。当系统中存在网络时延，则控制器在第kh时刻采集到的状态值会在时刻kh+τk到达控制器，可以设计状态反馈控制器为：

令d(t)＝t-kh，则有kh＝t-d(t) (2)

其中d(t)是时滞；

步骤2：由于x(t)∈R^n×n是状态变量，矩阵A，A_d是适当维数矩阵。d(t)满足条件：

0≤d(t)≤h (4)

d(t)≤μ (5)

步骤3：开关磁阻电机网络化控制系统稳定性分析：给定标量h＞0和μ，如果存在p＝p^T，Q＝Q^T≥0，Z＝Z^T＞0，适当维数的任意矩阵N1，N2，使如下矩阵不等式成立；

则满足时滞约束的标称系统(3)是渐进稳定的，其中：

步骤4：构造Lyapunov-Krasovskii函数：

V(x,t)＝V₁+V₂+V₃ (9)

V₁(x,t)＝x^T(t)Px(t) (10)

计算V(x,t)沿着系统(3)的导数：

令

由于存在积分项γ，本系统采用自由权矩阵方法，将γ看为一个二次型的积分。设这个二次型为η₂ ^THη₂，其中

根据牛顿-莱布尼茨公式，有：

步骤5：引入适合维数的矩阵N₁和N₂，则有：

则对于任意合适维数矩阵有：

其中

η₁ ^T＝(x^T(t)x^T(t-d(t)))^T(21)

令(23)<0,可得：

由此可知当Ξ<0时，上式<0，开关磁阻电机网络化控制系统是鲁棒且稳定的。