CN110707970B - 灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电气工程领域内的一种灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，包括以下：1）电机采用双极性调制，得到电机端电压和供电电压之间的关系；2）建立基于自适应滑模观测器的模型电机；3）通过Lyapunov非线性设计法得到估计转速的自适应律；4）通过阀门角度函数关系式推导出阀门角度与机械角速度之间的函数关系；5）令阀门开度在0到1之间变化对阀门角度辨识系数

进行大致推算；6）通过电流内环对阀门角度辨识系数

进行校准，得到精准

，后对电机实现无速度传感器控制，采用位置环、速度环、电流环进行位置控制，本发明利用阀门的全关和全开信号并通过电流内环的PI调节实现了感应电势系数的校准，减小了整体成本，提高了系统可靠性，可用于农业灌溉。

Description

灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法

技术领域

本发明涉及一种永磁直流电机，特别涉及一种无速度传感器控制方法。

背景技术

现代农业灌溉，目前正在大力利用管道将水直接输送到田间进行灌溉，有效的避免了水在渠道内发生的渗漏及蒸发损失。但是，如果想实现真正的水资源高效利用，不能仅仅在灌溉用水的传输环节(主水渠与管道灌溉)采取措施，要实现管道灌溉高效节水，需要有可靠运用的控水放水设备、有效灌溉管理制度与作物灌溉需水模型统一结合。管道放水阀(栓)是田间最后一道控水放水设备。长期以来，对田间放水口、排水口、分水窨井等田间控水放水设施缺少专门的设计与研究，没有统一的标准及相关标准产品。目前这些口门一般采用简易闸阀放水口门，这些简易口门所采用的方式、形式各不一致。有的止水不好，有的流量大小不能调控，即使可以调控，但是不能计量。有的造价太高，总体存在结构型式单一，标准不统一，管理不方便等诸多问题，尤其是水资源浪费严重，严重制约了农业生产的可持续发展、水资源的集约化和生产效率的提高。

灌溉一体化测控智能阀门是集精确计量、精准控制、远程实时管控于一体的自动化计量灌溉设备，为增强渠道和口门智能化控制能力，提高灌区信息化管理水平的重要设备。智能阀门集合了小尺寸闸门、太阳能供电、水位测量、流量测量、无线通信、远程控制、精准流量控制等功能，是闸门联动控制和灌区信息化的基础支撑。一体化测控智能阀闸门一般具有功能：

①支持视频采集、存储、传输功能；

②支持各种通信方式，可灵活组网；

③支持明渠计量，通过控制闸门开度和精确计算过闸流量实现末端水量控制；

④支持本地操作和远程控制，通过手机APP、WEB平台和云端存储等技术实现远程操控、故障报警、备份信息、数据自动上报等功能；

⑤支持多种供电方式，可使用太阳能供电、市电太阳能互补供电、风光互补供电等方式；

⑥启闭装置、控制系统、水位计、限位计等均在工厂整体制造集成，现场安装调试快捷，维修方便。

从以上可以看出，灌溉用阀门如果需要实现真正的精确调控灌溉用水，一体化阀门最基本的功能是流量控制，流量控制通过控制阀门开度来实现，而阀门控制需要准确的阀板位置或速度检测，小型一体化阀门驱动电机一般为直流电机。直流电动机作为电机的主要类型之一，以其良好的启动和调速性能在电力、制造、家电等行业得到广泛应用。为实现其高精度位置控制,电机速度及位置调节通常都引入闭环控制，而速度反馈作为实现电机闭环控制的一个重要参数，有着不可或缺的作用。目前通常采用的是利用霍尔传感器、光电编码器、测速发电机等传感器实现转速的测量和反馈。利用此类传感器件比较容易实现直流电机的闭环控制，但不可避免也存在一定缺陷，比如增加产品成本、电机本身体积变大、加大安装及维护难度等。

发明内容

本发明的目的是提供一种灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，结合模型电机法，采用滑模控制方法将估计转速直接作为控制量，再通过低通滤波得到估计转速；利用阀门的全关和全开信号并通过电流内环的PI调节实现了感应电势系数的校准，并实现了阀门任意开度调节。

本发明的目的是这样实现的：一种灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，包括以下步骤：

步骤1)电机采用双极性调制，占空比为d，得到电机端电压和供电电压之间的关系；

步骤2)建立基于自适应滑模观测器的模型电机；

步骤3)通过Lyapunov非线性设计法得到估计转速的自适应律；

步骤4)通过阀门角度函数关系式推导出阀门角度与机械角速度之间的函数关系；

步骤5)令阀门开度在0到1之间变化对K_u进行大致推算，K_u为角度辨识系数；

步骤6)通过电流内环对K_u进行校准，得到精准K_u，后对电机实现无速度传感器控制，采用三环：位置环、速度环、电流环，进行位置控制。

作为本发明的进一步限定，步骤2)中所述模型电机包括实际电机模型和估计电机模型：

实际电机模型：

建立估计电机模型：

其中：U_t为电机端电压；E_a为反电动势；I_a为电枢电流；R_a为电枢绕组电阻；

为模型电机电枢电流；u为预估反电动势，本发明中将其看作控制量；L_a为电枢绕组电感；ω_m为机械角速度。

作为本发明的进一步限定，步骤3)中自适应律为：

其中，

φ_f为感应电势系数。

作为本发明的进一步限定，步骤4)中阀门角度与机械角速度之间的函数关系为：

其中，K_gr为减速机构传动比，令

作为本发明的进一步限定，步骤6)中校准K_u时，让电机初始处于全关状态，给电机一个设定电流I_set，设定电流I_set小于空载电流，使电机能够转动，同时启动滑模辨识观测器，计算

当电机转到全开状态时，读取

电机旋转角度，即可计算校准K_u；

计算过程如下：

(a)电机直接加额定电压，使电机翻转至全关状态，即θ(0)＝0；

(b)启动电流控制和滑模观测程序，使电机正转，同时计算

(c)阀门处于全开时，θ(t₁)＝1，电机停止，同时停止计算

利用阀门角度与机械角速度之间的函数关系式即可求得K_u。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明采用滑模控制方法将估计转速直接作为控制量，再通过低通滤波得到估计转速；利用阀门的全关和全开信号并通过电流内环的PI调节实现了感应电势系数的校准，并实现了在没有安装速度传感器的情况下实现阀门任意开度的测量和调节，减小了整体成本，提高了系统可靠性。本发明可用于农业灌溉。

附图说明

图1为本发明的控制框图。

图2为本发明中步骤2的转速曲线。

图3为本发明中步骤5的校准流程图。

具体实施方式

下面对本发明具体实施方式加以详细说明。

如图1-3所示的一种永磁直流电机的无速度传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤1)电机采用双极性调制，占空比为d，得到电机端电压和供电电压之间的关系；

U_t＝d*U_in-(1-d)U_in＝(2d-1)U_in (1)

步骤2)设计滑模观测器

建立实际电机模型：

建立估计电机模型：

其中：U_t为电机端电压；E_a为反电动势；I_a为电枢电流；R_a为电枢绕组电阻；

为模型电机电枢电流；u为预估反电动势，本发明中将其看作控制量；L_a为电枢绕组电感；ω_m为机械角速度；令

则

定义真实电流和模型电机误差为

用公式(2)减去公式(4)，如果两式中电机参数完全一致得到：

变换得到：

为保证式(5)中的电流误差为0，引入电流观测误差积分项，取Lyapunov函数，通过Lyapunov非线性设计法得到估计转速的自适应律，定义Lyapunov函数为：

其中，K_i电流观测误差积分项系数，对其求导得到：

当

满足Lyapunov意义下的稳定；不妨令：

K为比例系数，K应满足大于最大的感应电势，即：K＞max(E_a)，得到：

当两电机完全同步时，有

(6)式得到

转换得到估计机械角速度的自适应律为：

同时得到

为减少滑模控制的波动，公式(9)、(10)描述sign函数采用近似符号函数，满足公式(12)：

步骤3)得到的u为高频方波信号，需要对其进行滤波处理才能作为ω_m的估计值，即

本发明采用低通滤波的方法，其数学函数式满足以下关系；

u_f(k)＝αu_f(k-1)+(1-α)u(k)。 (13)

步骤4)得到的机械角速度ω_m，由于

无法进行测算，考虑到实际阀门中并不需要测量实际电机旋转的角度，而只需要测量阀门的开度，开度为0-1，本发明将阀门传动比和

统一考虑，设阀门开度为θ(t)，则阀门开度与机械角速度的关系为：

其中K_gr为减速机构传动比，令

步骤5)所含K_u无法进行测算，因此需要对其进行计算和校准。令阀门全开为1，全关为0，开度在0到1之间变化，而阀门全开和全关的状态均有辅助触点输出，通过检测辅助触点的状态即可确定全开(1)、全关状态(0)；校准K_u时，让电机初始处于全关状态，给电机一个设定电流I_set(设定电流小于空载电流)使电机能够转动，同时启动滑模辨识观测器，计算

当电机转到全开状态时，读取

电机旋转角度，即可计算校准K_u；

计算过程如下：

a)电机直接加额定电压，使电机翻转至全关状态，即θ(0)＝0；

b)启动电流控制和滑模观测程序，使电机正转，同时计算

c)阀门处于全开时，θ(t₁)＝1，电机停止，同时停止计算

利用(14)式即可求得K_u。

步骤6)所求得到的精确K_u，可以对电机实现无速度传感器控制，通过三环(位置环、速度环、电流环)对电机进行无速度传感器控制。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)电机采用双极性调制，占空比为d，得到电机端电压和供电电压之间的关系；

步骤2)建立基于自适应滑模观测器的模型电机；

步骤3)通过Lyapunov非线性设计法得到估计转速的自适应律；

步骤4)通过阀门角度函数关系式推导出阀门角度与机械角速度之间的函数关系；

步骤5)令阀门开度在0到1之间变化对K_u进行推算，K_u为角度辨识系数；

步骤6)通过电流内环对K_u进行校准，得到精准K_u，后对电机实现无速度传感器控制，采用三环：位置环、速度环、电流环，进行位置控制。

2.根据权利要求1所述的灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，其特征在于，步骤2)中所述模型电机包括实际电机模型和估计电机模型：

实际电机模型：

建立估计电机模型：

其中：U_t为电机端电压；E_a为反电动势；I_a为电枢电流；R_a为电枢绕组电阻；

为模型电机电枢电流；u为预估反电动势，将其看作控制量；L_a为电枢绕组电感；ω_m为机械角速度，

为感应电势系数。

3.根据权利要求2所述的灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，其特征在于，步骤3)中自适应律为：

其中，

为感应电势系数，

4.根据权利要求3所述的灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，其特征在于，步骤4)中阀门角度与机械角速度之间的函数关系为：

其中，θ(t)为阀门开度；θ(0)为阀门初始开度，K_gr为减速机构传动比，令

5.根据权利要求4所述的灌溉一体化智能阀门的无速度传感器控制及参数校准方法，其特征在于，步骤6)中校准K_u时，让电机初始处于全关状态，给电机一个设定电流I_set，设定电流I_set小于空载电流，使电机能够转动，同时启动滑模辨识观测器，计算

当电机转到全开状态时，读取

电机旋转角度，即可计算校准K_u；

计算过程如下：

(a)电机直接加额定电压，使电机翻转至全关状态，即θ(0)＝0；

(b)启动电流控制和滑模观测程序，使电机正转，同时计算

(c)阀门处于全开时，θ(t₁)＝1，电机停止，同时停止计算

利用阀门角度与机械角速度之间的函数关系式即可求得K_u。

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