CN112286125A - 电机驱动风扇事件触发固定时间容错控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，步骤如下：对电机驱动风扇进行数学建模，包括模型分析、条件放缩及坐标变换；采用失效因子提取和偏移故障分离建立执行器故障信息模型；通过引入恰当的李雅普诺夫函数，设计参数自适应更新律，构造了虚拟的控制律补偿未知扰动和漂移故障；设计合适的可调节事件触发机制，实现固定时间收敛和降低通信耗费的有效折中，并完成失效故障的及时容错。仿真算例验证了所提出事件触发方法在固定时间内实现风扇定速和容错控制中的有效性和实际应用性。

Description

电机驱动风扇事件触发固定时间容错控制方法及系统

技术领域

本发明属于电机驱动风扇定速系统的事件触发容错控制领域，尤其涉及一种电机驱动风扇事件触发固定时间容错控制方法及系统。

背景技术

电机驱动风扇是现代热管理设备、农业机械、汽车等必不可少的基本组成部分，其定速容错控制得到了国内外学者的大量关注。与此同时随着网络控制的迅速发展和多设备协同作业的实际需求，人们连续不断的对电机驱动风扇定速控制的性能提出新的要求。相应地，各类控制算法也相继被提出。

目前，PID控制算法普遍应用于电机驱动风扇定速系统。PID主要由比例单元、微分单元和积分单元组成。然而，电机驱动风扇定速系统是一个强耦合、时变参数的非线性系统，在多变的工况下极易受到未知的外部干扰。在这些复杂非线性因素影响下，PID很难保证具有良好的控制性能，最终会导致电机驱动风扇系统达到目标速度时间较长，响应速度慢。此外，由于电机驱动风扇定速系统还容易受机械结构磨损和齿轮传动间隙的影响，使得系统驱动器发生部分失效故障和未知的偏移故障。传统的控制器的设计只是针对于健康的系统，故障的发生使得原有的控制算法性能退化甚至失效，严重的还会造成安全事故和经济损失。因此，电机驱动风扇定速系统的容错控制成为我们所关注并需解决的问题。

由于系统的有限时间收敛能够展现良好的控制特性,良好的抗干扰性,快速收敛性和有限时间可控性等,因而动力学系统的有限时间控制研究是一个有意义的控制问题。闭环系统的有限时间容错控制问题也引起学者的广泛关注。然而，现有的有限时间容错控制方法其收敛时间依赖于初始状态，对初值过于敏感使得收敛时间过长。这使得控制性能不可接受甚至造成严重的损失，特别是在驱动器故障时有发生时。因而对于给定与初值无关的收敛时间，设计固定时间容错控制问题是十分有必要的。

与此同时随着网络控制的迅速发展和多设备协同作业的实际需求，控制信号的实时传输对网络建设提出了更高的要求。网络传输带宽和硬件资源也限制了控制信号的无限远端传送。虽然传统的周期采样控制可以节省部分传输资源，但是以消弱控制效果为代价，因而在事件触发体系下，如何设计适当的事件触发机制，使得控制信号在需要时及时传输，进而实现控制性能和控制信号实时传输消耗的良好折中是有十分有意义且实际应用所迫切需要的。系统在实际运行中，经常会遭受外部扰动的影响。因此，在最近几年里，抗干扰控制得到了广泛的关注。然而在这些已有的结果都假定干扰是已知的或是有界的。电机驱动风扇定速系统的执行器偏移故障多是由于元器件的老化和机械的磨损引起的，通常具体有一定的慢时变特性。传统方法中单一的固定参数或时变参数不能很好的描述具有偏移故障特性的集成干扰。此外一旦不确定干扰的信息不能精确获得，现有的控制方法就失去作用。因此，针对电机驱动风扇定速系统，设计固定时间容错控制算法，尤其涉及一种基于事件触发策略的固定时间自适应反馈容错控制方法，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法及系统。实现参数自适应更新，未知扰动和偏移故障的补偿；实现固定时间收敛和降低通信耗费的有效折中，并完成失效故障的及时容错。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

步骤1：对电机驱动风扇系统进行数学建模，包括模型分析、条件放缩及坐标变换；

步骤2：采用失效因子提取和偏移故障分离建立执行器电机故障信息模型；

步骤3：根据恰当的李雅普诺夫函数，设计参数自适应更新律；

步骤4：构造了虚拟的控制律补偿未知扰动和漂移故障；

步骤5：设计合适的可变事件触发机制和控制器，实现固定时间收敛和降低通信耗费的有效折中，并完成失效故障的及时容错。

进一步的，所述步骤1的具体方法为：所述电机驱动风扇定速系统进行数学建模，具体为：

y＝v

其中，v为风扇的速度，I为电机的电流；τ_L代表负载转矩和阻力矩，u是电机电压可被视为控制输入，J₁,J₂,k₁,k₂,R是系统参数，d_e是未知的外部扰动和未建模的动态。

y＝x₁

其中，

进一步的，所述步骤2的具体方法为：采用失效因子提取和偏移故障分离建立执行器电机故障信息模型，具体为：

u_f(t)＝λ(t_λ,t)u+μ(t_μ,t)；

其中，λ(t_λ,t)是未知的失效因子，μ(t_μ,t)为未知的执行器漂移在。

进一步的，所述步骤3的具体方法为：根据恰当的李雅普诺夫函数，设计虚拟控制器，具体为：

设计选取的李雅普诺夫函数为

设计的虚拟控制器为

其中参数

进一步的，所述步骤4的具体方法为：根据恰当的李雅普诺夫函数，设计自适应参数更新率，构造了虚拟的控制率补偿未知扰动和漂移故障，具体为：

设计选取的李雅普诺夫函数为

其中

设计的虚拟控制器为

其中参数和β₂＝(l₁+l₂|z₂|^q+c₁+c₂)。

设计的自适应参数更新律为

进一步的，所述步骤5的具体方法为：基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，所述可变事件触发机制和控制器，具体为：

控制器为v(t)＝(1+κ)α₂(z₂(t))-sign(z₂)ρ+λ_mα₂(z₂(t)),

其中

本发明的第二目的是公开一种基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

本发明的第三目的是公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

本发明有益效果：

本发明技术方案公开的基于事件触发的固定时间自适应容错控制器的设计结合了固定时间控制技术、自适应估计方法，事件触发方法与李雅普诺夫控制方法，针对具有未知干扰，驱动器未知失效故障和未知漂移故障下的风扇系统，能够同时解决定速与容错控制问题。该方法有如下几个优点。

1)本算法在执行器电机发生漂移故障和未知的外部干扰时，能够自适应的调整控制参数，实现及时的补偿，同时不需要干扰的上界信息；

2)可调节触发机制的设计，实现固定时间控制和通信传输消耗的有效折中；

3)所提出的固定时间收敛方法，具有在预设固定时间内，实现风扇定速的良好控制效果。

4)本算法在执行器健康和发生部分失效故障时，均能过良好的完成控制目标，容错性能良好。

附图说明

图1是系统状态收敛示意图；

图2是控制输入示意图；

图3是自适应参数调节示意图；

图4是事件触发机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分:包括自定义术语、不常见术语、需要解释限定清楚的术语、引用文献涉及内容等。

首先设定如下变量：v为风扇的速度，I为电机的电流；τ_L代表负载转矩和阻力矩，u是电机电压可被视为控制输入，J₁,J₂,k₁,k₂,R是系统参数，d_e是未知的外部扰动和未建模的动态，则本发明所述的电机驱动风扇定速系统数学模型，具体为：

y＝v

引入坐标变换

将电机驱动风扇定速系统转化为一般形式为：

y＝x₁

其中，

当系统执行器发生部分失效故障u_λ和未知偏移故障u_μ时，执行器输出u_f不再等同于所涉及的控制输入u。执行器的故障模型可表述为：

u_f(t)＝λ(t_λ,t)u+μ(t_μ,t)；

其中，λ(t_λ,t)是未知的失效因子，μ(t_μ,t)为执行器在时刻t_μ突然发生强度为u_μ漂移偏差故障。值得注意的是t_λ，t_μ，λ(·)，μ(·)均未知，这表明故障发生的时间及强度均是不可测量的。

在执行器故障模型下，系统可以简述为：

其中，执行器失效故障u_λ＝λ(t_λ,t)u，集成的不确定项d(t)＝gμ(t)+d₀(t)。引入如下的坐标变换：

其中α₁是虚拟的控制器，r_i＝1+(i-1)τ＞0，i＝1，2，3，τ∈(-1/2,0)是设定参数。选取候选李雅普诺夫函数

对上式关于时间求导，并带入系统方程，经过计算可得

设计的虚拟控制器为

其中参数

将虚拟控制器带入上式可得，

构造候选李雅普诺夫函数

通过计算可得U₂具有如下性质

对候选李雅普诺夫函数关于时间求导，并带入系统方程，经过计算可得

我们设定未知扰动集成项d的上界为D，并引入

对其估计，估计误差为

构造李雅普诺夫函数

其中δ为待定正常数。对函数求导可得

设计虚拟的控制器α₂为，

其中β₂＝(l₁+l₂|z₂|^q+c₁+c₂)。参数自适应更新律设计为，

将虚拟控制器和自适应更新律带入可得

考虑到执行器的部分失效故障，我们设计新颖的事件触发机制使得控制信号满足条件时传输。在事件触发采样机制下，控制器设计为

其中，u(t)是实际所设计的控制输入信号，v(t)是中间的控制变量。事件触发机制设计为

其中，

为事件触发引起的控制误差信号，κ，ρ为正参数。事件在t_k时刻被触发时，控制信号u(t)将会通过v(t_k)被更新，并且在零阶保持器的作用下维持不变直到下一事件在t_k+1时刻被触发。因此，可得

通过设计合适的参数κ₁(t),κ₂(t)，控制输入可变换为以下形式

注意到，上式只是一种表述形式，实际的中间控制变量设计为

v(t)＝(1+κ)α₂(z₂(t))-sign(z₂)ρ+λ_mα₂(z₂(t))

其中，λ_m为正参数，设计为如下结构

本发明的主要结果总结为以下定理

定理：针对带有未知的执行器故障和外部干扰的电机驱动的风扇定速系统，在所设计的事件触发机制

自适应参数更新律

和控制器

v(t)＝(1+κ)α₂(z₂(t))-sign(z₂)ρ+λ_mα₂(z₂(t))下，如下性质成立：

(1)系统状态和扩张的估计状态是全局一致有界的；

(2)闭环系统是固定时间稳定的，收敛时间可以通过参数调节；

(3)所设计的事件触发机制可以避免芝诺现象的发生。

我们应用数值仿真(MATLAB/SIMULINK)展示上述有限时间控制方法的运行效果。用仿真结果图说明所提控制方法的有效性。

电机驱动风扇系统的参数选择如下:

τ_L(x₁)＝x₁sin(x₁),J₁＝J₂＝k₁＝k₂＝R＝1

初始状态选取为

外部干扰选取为

d₀(t)＝0.01sin(t)+10

故障失效因子λ＝0.8，漂移故障为u_μ＝0.1sin(t)。

仿真结果图为图1-图4，从上述图形中可以看出仿真结果与理论分析结果一致。从图1可以清晰地看出风扇速度能够快速有效地收敛到设定速度。再者，根据图2和图4也能清晰地看出闭环系统的所有状态和扩张状态都是一致有界的。如图3所示，本文设计的参数自适应更新器能精确地完成未知项的估计。特别地，从图4可以看出控制信号的触发次数是有限的，因而未发生芝诺现象。总的来说，以上仿真图说明了上述控制方法的有效性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对电机驱动风扇系统进行数学建模，包括模型分析、条件放缩及坐标变换；

步骤2：采用失效因子提取和偏移故障分离建立执行器电机故障信息模型；

步骤3：根据李雅普诺夫函数，设计参数自适应更新律；

步骤4：构造了虚拟的控制律补偿未知扰动和漂移故障；

步骤5：设计可调节事件触发机制和控制器，实现固定时间收敛和降低通信耗费的有效折中，并完成失效故障的及时容错。

2.如权利要求1所述的基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，其特征在于，电机驱动风扇定速系统进行数学分析建模，具体为：

y＝v；其中，v为风扇的速度，I为电机的电流；τ_L代表负载转矩和阻力矩，u是电机电压可被视为控制输入，J₁,J₂,k₁,k₂,R是系统参数，d_e是未知的外部扰动和未建模的动态；所设计的具体坐标变换为：

3.如权利要求1所述的基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，其特征在于，采用失效因子提取和偏移故障分离建立执行器电机故障信息模型，具体为：

u_f(t)＝λ(t_λ,t)u+μ(t_μ,t)，其中，λ(t_λ,t)是未知的失效因子，μ(t_μ,t)为未知的执行器偏移故障。

4.如权利要求1所述的基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，其特征在于，根据李雅普诺夫函数，分步设计虚拟控制器，具体为：

设计的虚拟控制器

其中参数

设计的虚拟控制器

其中参数β₂＝(l₁+l₂|z₂|^q+c₁+c₂)。

5.如权利要求1所述的基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，其特征在于，根据李雅普诺夫函数，设计自适应参数更新律，补偿未知扰动和偏移故障，具体为：

设计的李雅普诺夫函数为

其中

设计的自适应参数更新律为

6.如权利要求1所述的基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制方法，其特征在于，可调节事件触发机制和固定时间容错控制器，具体为：

控制器为v(t)＝(1+κ)α₂(z₂(t))-sign(z₂)ρ+λ_mα₂(z₂(t)),

其中

7.基于事件触发的电机驱动风扇定速系统的自适应固定时间容错控制系统，其特征在于，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任意一项所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任意一项所述方法的步骤。

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