CN1518686A - 低阻尼机电链的角速度的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是对在低阻尼的机电链带动下转动的负载的机械角速度进行控制的方法。对用低阻尼的机电链带动转动的负载的速度进行控制可以进行非线性传输，在没有测量速度的情况下，通过同时使用一个监测器(18)和一个CRONE式的非整数阶耐久校正器(20)来确保间隙，所述非整数阶耐久校正器的物理制作由一个整数阶校正器来保证，利用频率范围内的近似法求得整数阶校正器。因此在具有共振频率的情况下，该装置确保系统很好地消音，并保证具有很好的稳定性，而且调节比较简单。

Description

低阻尼机电链的角速度的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及一种在没有测量负载角速度的情况下，对在低阻尼机电链带动下转动的负载的机械角速度进行控制的方法，该负载可能呈现一些非线性，例如传递公差。

本发明还涉及一种实施该方法的装置。

在整个申请文件中，“负载”一词通常为能够被低阻尼的机电链带动转动的整个机构。因此负载不受限制地可以由轧机或造纸机的辊轮、船舶螺旋桨、牵引轴、火车头等构成。

此外，“机电链”表达的是含有一个耦合致动器和一个传动链的组合体，所述耦合致动器由一个功率换能器和一个任何形式的电机组成，该致动器通过所述传动链带动负载。

最后，“低阻尼”表达的是机电链具有机械共振频率。这些频率由链的各种参数限定，例如惯性和强度。在本发明的申请文件中，这些参数不易知道，或是在工作过程中是变化的，所以这就导致机电链的共振频率和相关振幅的偏差或变化。

背景技术

图1示意性地示出了公知闭环伺服系统，该系统确保对负载1的转速进行控制，耦合致动器2通过一个传动链3带动该负载。耦合致动器2包括一个与功率换能器5耦联的电机4。

利用一个校正器6确保对电机4的速度进行控制，该校正器接收一个表示电机4所需速度的参考信号Ω^* _m。当没有测量负载1的速度时，该校正器6还接收一个表示电机4实际速度的信号Ω_m。在应答时，校正器6发送一个控制耦合致动器2的耦合参考信号Г^*。

在现有的校正器中，例如可以列举有校正器PI(整体成正比的)，校正器PID(比例积分的)，校正器H_∞，QFT(英语“Quantinative FeedbackTheory”)和RST。

在频率范围中，当用拉普拉斯变换时，我们知道校正器的应答特征是与两个多项式的比N(s)/D(s)对应的理论换算函数C(s)，其中s是所研究的系统的复杂的工作变量，结合校正器的开环系统的换算函数在Black，Nyquist或Bode平面中用称作“gabarit frequentiel”的曲线表示，该曲线表明系统进出口之间的增益和相移根据工作变量s的实数部分变化。

不同的校正器彼此间的主要差别在于各个多项式N(s)和D(s)的次数，也就是它们的零的数目(分子的根)和极点的数目(分母的根)。如果系统是低阻尼的高阶，也就是说如果该系统含有增加的极点和零数，则只有高阶校正器才可以满足性能和稳定性的目的。然而，其结果也是增加校正器多项式的系数数量，因而使所述校正器的最佳调节更加困难。

在使用校正器PI或PID时，相关多项式的次数分别是两个系数和三个系数。因而调节简单。作为补偿，在具有特征为共振模式，也有可能为非线性，例如传递公差的机电链的情况下，不再可能满足性能和稳定性的目的。

为了克服上面所述的在有低阻尼的机电链的情况下使用校正器PI或PID时出现的缺陷，曾经提出将一个状态回路与这种校正器结合，所述状态回路基于估量器发出的信号。该解决方案在Marius Goslar的题目为“EinSeitrag zur anwendungsorientierten Zustandsreglung electrischerHochleistungsantriebe”论文中已经作了描述，该论文于1998年8月14日发表和公开在英国的“Conservatree Print & Design”ISBN0953473503中。

确切地说，上述论文涉及的是已知负载角速度的情况。该论文建议使用原生算法，以使校正器多项式的系数最佳化。

如果存在共振频率，则这种公知的方案可以确保系统有良好的阻尼。但是，这种方案仍然没有很好的耐久性。此外，用原生算法来计算校正器多项式的系数会使校正器的调节变得相当复杂。

当用H_∞，QFT或RST的校正器时，多项式的次数明显增加。这些校正器由于它们能够使被校正的系统保留其稳定性及其规定条件下的性能，也就是说在有参数偏差的情况下，并在可能呈现一些非线性，例如传递公差的情况下，这些校正器可以保留系统的稳定性和性能，所以这些校正器被称作“耐久的”校正器。反之，这些校正器有许多可以使它们进行非常精细调节的系数。

不管所用的校正器如何，如果不能对负载角速度进行精确的测量，则很难对该角速度进行长期控制。

发明概述

确切地说，本发明的目的在于提供一种在没有测量负载角速度的情况下，对在低阻尼的机电链带动下转动的负载的机械速度进行控制的方法和装置，该装置同时具有令人满意的静态和动态的规定性能，并有良好的耐久性，而且调节系数最少。

根据本发明，这种结果通过对负载速度进行控制的方法实现，用一个电机使所述负载在低阻尼的机电链的带动下转动，按照该方法，根据电机的测量速度Ω_m和负载的参考速度Ω^* _L测量电机的实际速度和确定电机的扭矩启动参考值Г^*，其特征在于根据下列方式确定参考值Г^*：

-利用一个监视器计算负载的估计速度Ω_L和一个更新误差，监视器的输入是参考值Г^*的大小，更新误差用电机的测量速度Ω_m和电机的估计速度Ω_M之间的加权差表示；

-通过计算负载参数速度Ω^* _L和负载估计速度Ω_L之间的差；

-通过将计算出的差用作CRONE形式的非整数阶的耐用校正器的输入，利用一个整数阶校正器保证该非整数阶校正器的物理实施，在频率范围中，整数阶用估算法求得。

在所限定的方法中，如果在没有进行测量的情况下，计算负载的估计速度可以有效地控制该速度。实际上，该计算由像Kalman滤波器一类的监测器执行，这种监测器根据机电链的动态模式重新构成该机电链的内部状态。

监测器最好使用下面的动态模式：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{CC}}\\ {\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{AE}}\\ {\stackrel{.}{\mathrm{\Γ}}}_L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\left[A_{\mathrm{CC}}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ 1/2\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ \mathrm{let}2/3\end{array}\right]\\ \left[0\right]& \left[A_{\mathrm{AE}}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ \mathrm{let}2/3\end{array}\right]\\ \left[0\right]& \left[0\right]& \left[0\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{CC}}\\ X_{\mathrm{AE}}\\ {\mathrm{\Γ}}_L\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]{\mathrm{\Γ}}^{*},$

其中，A_CC，A_AE，和B是分别用于传动链、电动驱动器和加到负载上的阻力扭矩干扰特性的系数矩阵，X_CC，X_AE和Г_L分别表示传动链、电动驱动器和加到负载上的阻力扭矩的状态。此外，表达式“耦合1/2”和“耦合2/3”分别表示电动驱动器和传动链之间的耦合系数矩阵及电动驱动器-传动链组合件和负载之间的耦合系数矩阵。

另外，为了建立用于校正负载估计速度的整数阶校正器而使用非整数阶校正器可以享有控制器一类的耐久性能，与PI或PID式的不耐久的控制性能相比，可以将调节系数的数量限制到一个数值。因此，在机电链的参数，例如惯性和强度变化时，以及在系统呈非线性，例如有传递公差时，可以确保速度控制的耐久性能。实际上，此处的调节系数的数量等于3，这样就使得校正器的调节大为简化。

这些优点来自非整数阶或CRONE(提出的商标)的耐久控制的卓越性能。这种控制的特征已由A.Oustaloup和B.Mathieu，Hermes在1999年的著作“La commande CRONE，du Scalaire au Multiv ariable”中作了详细描述。

最好根据适用于第三代控制CRONE的特征，例如在上述著作中公开的特征，我们可以使用非整数阶校正器，该校正器的传递系数β(s)是： $\mathrm{\β}\left(s\right)=y_0[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_g}{s}\right)}^{\mathrm{\η}}{]}_{C_j,}$ 其中n∈C_j，

其中n＝a+ib是复合非整数积分顺序，在Nichols C_j平面中，实数部分a确定中心频率ω_g的限界相位，虚数部分b确定该限界相对于垂线的斜率，y₀是增益分布，字母a，b和ω_g对应于控制器的调节系数。中心频率与校正器的应答时间有关。该频率也用在关系式ω_A＝ω_g/k和ω_B＝kω_g中，其中的ω_A和ω_B是限定频率范围的极端频率，在该范围内，应当保证耐久的性能和稳定性，k是一个与所述频率范围有关的系数。

在具有多个共振的机电链的情况下，就像上述著作的3.4章(“共振方法的情况”(“Cas des procedes resonants”))所述的那样，在该传递中结合使用具有共振模式的抑制过滤器。

最好通过在低频和高频下平切频率来获得整数阶校正器，这种平切由低频界限ω_b和高频界限ω_h限定，同时在这些频率(ω_b和ω_h)范围内根据下面的关系式近似计算整数阶的等同传递系数CN(s)：

$C_N\left(s\right)=C_0\underset{k=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k}},$

在该关系式中：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\α\η},$

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\η}$

$\mathrm{et}\frac{{\mathrm{\ω}}_k}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\mathrm{\α},$

其中，α＞1，η＞1，C0是没有频率时的增益。

本发明还涉及一种控制负载速度的装置，负载在低阻尼的机电链带动下转动，该装置包括测量电机实际速度的设备和根据一个由所述速度测量设备发出的速度信号Ω_m和根据表示负载参考速度的指令信号Ω_L检测电机扭矩启动参考值Г^*的检测设备，其特征在于检测所述参考值的设备包括：

-一个监测器，该监测器的输入是参考值Г^*和由电机的测量速度Ω_m与电机的估计速度Ω_m之间的加权差表示的更新误差，监测器用于计算负载的估计速度Ω_L及负载的参考速度Ω^* _L与负载的估计速度Ω_L之间的差；

-一个CRONE式的非整数阶的耐久校正器，该校正器将负载的参考速度Ω^* _L与负载的估计速度Ω_L之间的差用作输入，利用一个整数阶校正器确保其物理实施，在频率范围中该整数阶校正器通过近似法得到。

附图说明

现在将结合附图描述本发明的非限制性优选实施例，其中：

图1已经作过描述，该图示意性地表示现有技术的闭环伺服系统；

图2是与图1进行比较的视图，该图示意性地表示本发明的伺服系统，该系统结合有用于控制负载角速度的装置；

图3是方框图，该图详细表示本发明控制装置的CRONE校正器；

图4非常概括地表示了用于试验本发明控制装置的机电链的模型；

图5的A表示用图4的机电链带动的负载的速度ΩL(未用单位)随时间t的变化曲线，B表示校正器发出的启动扭矩Г^*(未用单位)随时间t的变化曲线，其中采用的是现有技术的校正器，安装方法与图1所示的相同；

图6的A’表示用图4的机电链带动的负载的速度Ω_L(未用单位)随时间t(秒)的变化曲线，B’表示校正器发出的启动扭矩Г^*(未用单位)随时间t的变化曲线，其中将一个监测器(Kalman滤波器)与本发明的非整数CRONE校正器结合，安装方法与图2所示的相同；

图7表示与图4的模型相对应的机电链的转移函数(信号的幅度dB根据频率Hz的变化)，这些函数分别是指惯性具有它们的名义值(曲线C)的情况，以及所述惯性极端变化的两种情况(曲线D和E)；和

图8是根据图4的模型，当惯性具有它们的名义值的情况和所述惯性极端变化的两种情况时，表示图6的两条曲线A’和B’。

具体实施方式

正如图2非常简单地显示的那样，本发明的速度控制装置用于控制用机电链带动的负载10的转速。所述机电链包括一个扭矩传动装置12，该传动装置通过一个动力链13带动负载10转动。扭矩传动装置12包括一个与功率换能器16连接的电机14。

假定机电链有些减速，而且没有测量负载10的机械速度的设备。

根据本发明，通过结合一个监测器18和一个CRONE式的非整体阶校正器20来保证对负载18的转速进行控制。

确切地说，监测器18的作用是计算负载10的估计速度ΩL。为此，监测器18的第一输入接收一个表示电机14的扭矩启动参考值的第一信号Г^*。监测器18在22处计算更新误差，该误差由电机14的实际角速度Ω_m和电机14的估计角速度Ω_m之间的差表示。该差的加权系数为K，这如图2中的标号24所示。

用第一信号Г^*表示的电机扭矩启动参考值对应于电机14希望的启动扭矩。在进入扭矩传动装置12之前，在CRONE校正器20的输出直接提取该第一信号Г^*。

为简化起见，将“电机的实际角速度Ω_m”称作电机14的输出轴的转速。该速度可以用任何公知设备进行测量，例如速度传感器26，这不超出本发明的范围。在监测器18的第二输入接收一个表示电机的实际角速度Ω_m的信号。

监测器18对一个动态模板28进行积分，该模板计算负载10的估计转速ΩL以及电机14的估计角速度Ω_m。该角速度用于计算更正误差。

该动态模板与系统内部表现有关，通常用下面的等式表示该内部表现：

在这些等式中，U表示机电链的输入矢量，X表示系统状态的空间要素，Y表示系统的输出矢量，A，B，C和D是矩阵，矩阵的系数是实数。符号X和Y表示利用模板得到的X和Y的估计值。

实际上，监测器18可以由一个Kalman滤波器构成。在这种情况下，准时进行线性计算。这种监测器的主要优点在于变化很小。但是，也可以使用别的任何可以获得比较结果的监测器，例如Luenberger滤波器，这不超出本发明的范围。

为了保证能够真实地表示系统内部状态，模板考虑了电磁模板，机电链的机械模板以及对作用在负载上的阻力矩产生作用的干扰。

因此，用连续等量状态的第一模板作出含有功率换能器16和电机14的扭矩传动装置12的表达式，其自由变化表示为：

$\left[{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{AE}}\right]=\left[A_{\mathrm{AE}}\right]\left[X_{\mathrm{AE}}\right]$

作为比较，用连续等量状态的第二模板表示动力链13，其自由变化表示为：

$\left[{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{CC}}\right]=\left[A_{\mathrm{CC}}\right]\left[X_{\mathrm{CC}}\right]$

由此限定的两个机构的相互连接导致成在一种形式下显示机电链，其自由变化表示为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{CC}}\\ {\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{AE}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left[A_{\mathrm{CC}}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ 1/2\end{array}\right]\\ \left[0\right]& {[A}_{\mathrm{AE}}]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{CC}}\\ X_{\mathrm{AE}}\end{array}\right]$

在该关系式中，式子“couplage1/2”指的是扭矩传动装置12和动力链13之间的耦合系数矩阵。

为了还考虑作用在负载上的扭矩Г_L的干扰，假设取Г_L＝0。

因而系统可以按照一个动态模板的形式倾斜，使得输入响应记录可以用下式表示的Г^*：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{CC}}\\ {\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{AE}}\\ {\stackrel{.}{\mathrm{\Γ}}}_L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\left[A_{\mathrm{CC}}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ 1/2\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ \mathrm{let}2/3\end{array}\right]\\ \left[0\right]& \left[A_{\mathrm{AE}}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ \mathrm{let}2/3\end{array}\right]\\ \left[0\right]& \left[0\right]& \left[0\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{CC}}\\ X_{\mathrm{AE}}\\ {\mathrm{\Γ}}_L\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]{\mathrm{\Γ}}^{*}$

在该关系式中，式子“couplage2/3”指的是扭矩传动装置12和动力链13形成的集合件与负载10之间的耦合系数矩阵。耦合系数矩阵“couplage1/2”和“couplage2/3”以及矩阵A_CC，A_AE，和B均由本领域技术人员根据动力链13、扭矩传动装置12和作用在负载10上的阻力扭矩的干扰的各个特性限定。我们设想这种运行是通过简单使用自控专业的基础知识得到的。

如图3所示，校正器20包括一个CRONE式的非整数阶耐用校正器32，利用一个整数阶校正器34保证该耐用校正器的物理实施，在频率范围中用近似法求得该整数阶校正器。

非整数阶耐用校正器32为第三代CRONE式，也就是说该校正器使用产生的非整数阶的常用模型。该模型的传递系数由下面的关系式给出：

$\mathrm{\β}\left(s\right)=y_0[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_g}{s}\right)}^{\mathrm{\η}}{]}_{C_j},\mathrm{avecn}\∈C_j,--\left(1\right)$

其中n是复合非整数集合阶，也就是n＝a+ib。系数a和b以及项ω_g构成耐用校正器32所用的常用模型。换句话说，一旦建立了这三个系数的值，就对校正器进行调节。这种特征构成了本发明的基本优点，因为这种特征实际上可以使调节简单，这与使用非耐用校正器时的一样简单，非耐用校正器例如是PI或PID式校正器。

在用C_j表示的Black或Nichols平面中，n的实数部分a确定模型在中心频率ω_g的相位移，虚数部分b确定该模型相对于所述平面垂线的斜度。

在上面的关系式(1)中，y₀表示增益变化。中心频率ω_g与控制器的响应时间有关。该中心频率也用于确定频率ω_A＝ω_g/A，以及ω_B＝kω_g，其中ω∈[ω_A，ω_B]。换句话说，字母ω_A和ω_B表示确定频率范围的端部频率，在该范围内应当保证性能的可靠性和稳定性。最后，字母k表示取决于ω_A和ω_B之间限定的频率范围的系数。

对于耐用校正器32及其概括的更多的细节，比较有效的是参见已经列出的Alain Oustaloup和Benoit Mathieu的著作，特别是名称为“CommandeCRONE de troisieme generation”中的第2章。

当机电链具有复合共振时，就将产生出的频率模型与传递系数结合，抑制滤波器与所述链中存在的共振模式一样多。比较有效的是参见已经列出的Alain Oustaloup和Benoit Mathieu的著作中的3.4节，此处引入作为参考。

整数阶校正器34构成单一变化的耐用校正器。它按照与取样周期严格的时间运行，取样周期可以大于或等于监测器18的取样周期。这样，在此处作为举例描述的实施方案中，整数阶校正器34的取样周期要比监测器18的取样周期长5倍。

整数阶校正器34接收一个表示负载10的参考速度Ω^* _L和负载的估计转速Ω_L之间的差(图2中的标记30)的信号。表示负载10的参考速度Ω^* _L表示希望的或指定的负载转速。由监测器18提供负载的估计转速Ω_L。以该差为基础，整数阶校正器34发送一个表示扭矩的信号Г^*，该扭矩应当由功率换能器16作用到电机14上。

如果必须的话，首先利用低频接头ω_b确定的整数阶传递系数β_b(s，ω_b)和高频接头ω_h限定的整数阶传递系数β_h(s，ω_h)在非整数阶校正器2上实现低频和高频的断截面，从而确定整数阶的严格校正器34。这两个频率接头可以相对于产生出的模型的极端频率ω_A和ω_B对称分布，使ω_b＝ω_A/K’，ω_h＝K’ω_B，K’是系数，例如等于10，使ω_g/ω_b＞＞1，ω_g/ω_h＜＜1。该频率断截面可以使校正器32对高频没有感觉(例如：测量的噪声)，并可以保证静态误差等于零。为此对于更多的细节，比较有效的是参见已经列出的Alain Oustaloup和Benoit Mathieu的著作(主要见图1.3的波得图)。根据频率被截断的非整数阶校正器32对校正器的调节系数进行计算(图3)。

因而用非整数校正器32’的频率范围中的近似值确定整数阶校正器36。整数阶校正器36的传递系数CN(S)由下面的关系式给出：

$C_N\left(s\right)=C_0\underset{k=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k}},--\left(2\right)$

其中

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\α\η},$

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\η}$

$\mathrm{et}\frac{{\mathrm{\ω}}_k}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\mathrm{\α},$

其中α＞1，η＞1，C₀表示零频率的增益。

因此根据取样频率决定整数阶校正器36，所述取样频率大于或等于监测器18的取样频率，从而得到可以用于实时计算的整数阶分立校正器34。

监测器18以及校正器32，32’，34和36使用一个或多个计算器。

在具体情况下，如图4所示，为了使利用本发明控制方法得到的结果更有效而作了一个试验模型。具体地说，在图4的模型上作了比较试验，这些试验按照顺序使用现有技术的校正器P1和根据本发明的CRONE式的组合起来的监测器校正器。

用于试验的模型包括一个第一电机114，将其称作“速度导向器”，该电机与图2中的电机14进行比较。利用一个运动链113将电机14与一个“负载的”第二电机110作机械连接，运动链113包括第一转接器113A，第一惯性质量113B，第二转接器113C，第二惯性质量113D，与一个间隙113F协调的第三转接器113E以及第三惯性质量113G。

在所作的模型中，电机110起到图2中的负载10的作用，运动链113起到链13的作用。

每一个电机114和110的惯性为0.00488m2*kg，转接器113A，113C和113E的强度分别为357N*m/拉德，175N*m/拉德和78N*m/拉德。最后，惯性质量113B，113D和113G的标称惯性分别等于0.014m2*kg，0.03m2*kg和0.068m2*kg，它们全部可以模拟比较大的误差，这些误差使这些惯性在半个标称值和两个标称值之间变化。

用现有技术的校正器P1对该模型进行的试验在图5中由曲线A和B表示。具体地说，曲线A表示负载的转速ΩL随时间t(秒)的变化(减少的单位)，曲线B表示校正器发送出的扭矩Г^*随时间t(秒)的变化(减少的单位)。发现在时间为t₀时，负载扭矩的扰动主要反映在回到平衡以前有比较长的时间，并反映在系统有共振加入。

如图6中的曲线A’和B’所示，当采用本发明的速度控制装置时，情况就很不相同。具体地说，曲线A’表示负载的转速Ω_L随时间t(秒)的变化(减少的单位)，曲线B′表示校正器发送出的扭矩Г^*随时间t(秒)的变化(减少的单位)。在这种情况下，发现系统在时间t₀时负载扭矩出现扰动以后很快恢复到平衡。另外，与现有技术不同的是不会产生任何共振现象。

图6的曲线表示，如果在机电链出现共振的情况下，本发明的速度控制装置具有令人满意的减缓能力。

作另一些实验的目的是为了证实本发明速度控制装置的耐久能力。这些试验示于图7和8中。

在图7中示出的是图4所示的模型的机电链的传送功能，也就是说，分别在惯性质量113B，113D和113G为标称惯性的情况下(曲线C)，第一惯性质量113B和第三惯性质量113G的惯性被2除，以及第二质量113D的惯性乘以2的情况下(曲线D)，和第一惯性质量113B和第三惯性质量113G的惯性被2除，以及第二质量113D的惯性为标称惯性的情况下(曲线E)，信号大小(dB)随频率(Hz)的变化。发现机电链的共振频率有明显变化。

在图8中，所用的是与图7中用C，D，和E所示的传送功能对应的情况得到的曲线A’和B’。我们发现尽管引起的惯性变化和共振频率变化很大，但闭合回路中的系统仍然保持稳定。

因此这些实验表明，虽然没有测量被控制的速度，但与现有技术中用校正器PI的方法不同，本发明的速度控制方法具有很好的稳定性能。

此外，根据本发明，将一个监测器和一个CRONE式的校正器结合使用，就可以得到这些稳定性能，而且只有三个调节系数(复杂的非整数n阶积分的实数部分a和虚数部分b及频率ω_g)。

当然，本发明的方法和装置可以用于任何具有负载的系统，该负载在一个低阻尼的机电链的带动下转动，而不管负载的特性和机械链的性能如何，特别是不论其共振频率和可能出现的间隙如何。

Claims (15)

1.一种对负载(10)的速度进行控制的方法，用一个电机(12)使所述负载在低阻尼的机电链(13)的带动下转动，按照该方法，根据电机的测量速度Ω_m和负载(10)的参考速度Ω^* _L测量电机(12)的实际速度和确定电机(12)的扭矩启动参考值Г^*，其特征在于根据下列方式确定参考值Г^*的大小：

-利用一个监视器(18)计算负载的估计速度Ω_L和一个更新误差，监视器的输入是参考值Г^*的大小，更新误差用电机(12)的测量速度Ω_m和电机的估计速度Ω_M之间的加权差表示；

-通过计算负载(10)的参数速度Ω^* _L和负载的估计速度Ω_L之间的差；

-通过将计算出的差用作CRONE形式的非整数阶的耐用校正器(20)的输入，利用一个整数阶校正器保证该非整数阶校正器的物理实施，在频率范围中，整数阶用估算法求得。

2.根据权利要求1的方法，其中根据机电链(13)的动态模式计算负载(10)的估计速度Ω_L。

3.根据权利要求2的方法，其中采用一个考虑了电磁模式、机械模式和负载(10)的扭矩干扰的动态模式。

4.根据权利要求3的方法，其中使用下面的动态模式：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{CC}}\\ {\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{AE}}\\ {\stackrel{.}{\mathrm{\Γ}}}_L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\left[A_{\mathrm{CC}}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ 1/2\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ \mathrm{let}2/3\end{array}\right]\\ \left[0\right]& \left[A_{\mathrm{AE}}\right]& \left[\begin{array}{c}\mathrm{couplage}\\ \mathrm{let}2/3\end{array}\right]\\ \left[0\right]& \left[0\right]& \left[0\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{CC}}\\ X_{\mathrm{AE}}\\ {\mathrm{\Γ}}_L\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]{\mathrm{\Γ}}^{*},$

其中，A_CC，A_AE，和B是分别用于传动链(16)、电动驱动器(12，14)和加到负载(10)上的阻力矩干扰特性的系数矩阵，X_CC，X_AE和Г_L分别表示传动链、电动驱动器和加到负载上的阻力矩的状态，表达式“耦合1/2”和“耦合2/3”分别表示电动驱动器和传动链之间的耦合系数矩阵及电动驱动器-传动链组合件和负载之间的耦合系数矩阵。

5.根据权利要求2-4之一的方法，其中将分时Kalman滤波器用作监测器(18)。

6.根据权利要求1-5之一的方法，其中用非整数阶校正器，该校正器的传递系数β(s)是： $\mathrm{\β}\left(s\right)=y_0[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_g}{s}\right)}^{\mathrm{\η}}{]}_{C_j},$ 其中n∈C_j，

其中n＝a+ib是复合非整数积分顺序，在Nichols C_j平面中，实数部分a确定频率ω_g的限界相位移动，虚数部分b确定该限界相对于垂线的斜率，y₀是增益分布，频率ω_g与校正器的应答时间有关，该频率也用在关系式ω_A＝ω_g/k和ω_B＝kω_g中，其中的ω_A和ω_B是限定频率范围的极端频率，在该范围内，应当保证耐久的性能和稳定性，k是一个与所述频率范围有关的系数。

7.根据权利要求6的方法，其中当机电链(13)具有复合共振时，就与传递系数β(s)结合，抑制滤波器与所述链中存在的共振模式一样多。

8.根据权利要求6或7的方法，其中通过在低频和高频下平切频率来获得整数阶校正器，这种平切由低频界限ω_b和高频界限ω_h限定，同时在这些频率(ω_b和ω_h)范围内根据下面的关系式近似计算整数阶的等同传递系数CN(s)：

$C_N\left(s\right)=C_0\underset{k=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k}},$

在该关系式中：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\α\η},$

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\η}$ $\mathrm{et}\frac{{\mathrm{\ω}}_k}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\mathrm{\α},$

其中，α＞1，η＞1，C₀是没有频率时的增益。

9.一种控制负载(10)的速度的装置，负载由电机(12)通过低阻尼的机电链(13)带动转动，该装置包括测量电机(12)实际速度的设备(26)和根据一个由所述速度测量设备(26)发出的速度信号Ω_m和根据表示负载(10)的参考速度的指令信号Ω_L检测电机(12)扭矩启动参考值Г^*大小的检测设备，其特征在于检测所述参考值大小的设备包括：

-一个监测器(18)，该监测器的输入是参考值Г^*的大小和由电机(12)的测量速度Ω_m和电机的估计速度Ω_m之间的加权差表示的更新误差，监测器(18)用于计算负载的估计速度Ω_L及负载(10)的参考速度Ω^* _L和负载的估计速度Ω_L之间的差；

-一个CRONE式的非整数阶的耐久校正器，该校正器将负载(10)的参考速度Ω^* _L和负载的估计速度Ω_L之间计算出的差用作输入，利用一个整数阶校正器确保其物理实施，在频率范围中该整数阶校正器通过近似法得到。

10.根据权利要求9的装置，其中根据机电链(13)的动态模式计算负载(10)的估计速度Ω_L。

11.根据权利要求10的装置，其中动态模式集中三个互连矩阵模块，这些模块分别考虑了电磁模式、机械模式和负载(10)的扭矩干扰。

12.根据权利要求9-11之一的装置，其中监测器(18)是分时Kalman滤波器。

13.根据权利要求9-12之一的装置，其中非整数阶校正器(20)的非整数阶传递系数β(s)是： $\mathrm{\β}\left(s\right)=y_0[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_g}{s}\right)}^{\mathrm{\η}}{]}_{C_j},$ 其中n∈C_j，

其中n＝a+ib是复合非整数积分顺序，在Nichols C_j平面中，实数部分a确定频率ω_g的限界相位移动，虚数部分b确定该限界相对于垂线的斜率，y₀是增益分布，频率ω_g与校正器的应答时间有关，该频率也用在关系式ω_A＝ω_g/k和ω_B＝kω_g中，其中的ω_A和ω_B是限定频率范围的极端频率，在该范围内，应当保证耐久的性能和稳定性，k是一个与所述频率范围有关的系数。

14.根据权利要求13的装置，其中机电链具有复合共振，校正器(20)对抑制滤波器积分，抑制滤波器与所述链存在的共振模式同样多。

15.根据权利要求13或14的装置，其中整数阶校正器在低频和高频下平切频率，这种平切由低频界限ω_b和高频界限ω_h限定，整数阶校正器具有下面的传递系数CN(s)：

$C_N\left(s\right)=C_0\underset{k=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_k}},$

在该关系式中：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\α\η},$

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_k^{\′}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{k+1}}{{\mathrm{\ω}}_k}=\mathrm{\α\η}$

其中，α＞1，η＞1，C₀是没有频率时的增益。

Images