一种直流电机终端滑模控制方法、系统、设备及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种直流电机终端滑模控制方法、系统、设备及介质，方法包括：根据电压平衡方程、反电动势方程、电磁转矩方程和转子运动方程得到电压和转速的关系方程和数学模型；根据所述关系方程和数学模型，取电机转速以及转速的一阶微分作为状态变量，确定二阶的状态空间表达式，以构建直流电机状态方程模型；根据所述直流电机状态方程模型的二阶非线性系统模型，确定滑膜切换面；根据李雅普诺夫函数以及所述滑膜切换面，确定系统的控制律，进而确定直流电机的终端滑模控制律；其中，所述终端滑模控制律用于对所述直流电机进行终端滑模控制。本发明专利技术能够提高系统的稳定性和快速响应性，可广泛应用于电机控制技术领域。可广泛应用于电机控制技术领域。可广泛应用于电机控制技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种直流电机终端滑模控制方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术涉及电机控制
，尤其是一种直流电机终端滑模控制方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]随着高性能永磁体材料技术的发展、电子半导体器件的发展、控制集成电路的发展、业界对绿色环保和高效能的追求，直流电机体积可以做到微型化，并具有更好的性能优势被大众青睐，在数码电子产品、工业驱动、汽车产业、医疗设备、家用电器、无人机等各种领域，占据着越来越多的应用环境和空间。然而，在实际工况下，微型直流电机作为一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，用经典PID控制难以满足系统的性能要求。为了提高系统的稳定性和快速响应性，各种先进控制策略的应用研究越来越受到国内外学者的关注，如滑模控制、神经网络控制、模糊控制、自适应控制等。然而，普通滑模控制方法无法令系统状态跟踪误差在有限时间内收敛为零。因此，在有限时间内，能让系统的状态追踪误差可以收敛到零的伺服电机的终端滑模控制系统设计研究在理论和实践上都具有重要意义。
[0003]现有技术的缺点：微型直流电机作为一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，用经典 PID控制难以满足系统的性能要求。为了提高系统的稳定性和快速响应性，各种先进控制策略的应用研究越来越受到国内外学者的关注，如滑模控制、神经网络控制、模糊控制、自适应控制等。滑模控制实际是一种特别的非线性控制，滑动模态能够设计而与控制对象的参数变化和系统扰动无关，具有快速响应、对参数变化和扰动不灵敏等特点，切合微型直流电机的控制要求。然而，普通滑模控制方法无法令系统状态跟踪误差在有限时间内收敛为零。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术实施例提供一种直流电机终端滑模控制方法、系统、设备及介质，以提高系统的稳定性和快速响应性。
[0005]本专利技术的一方面提供了一种直流电机终端滑模控制方法，包括：
[0006]根据电压平衡方程、反电动势方程、电磁转矩方程和转子运动方程得到电压和转速的关系方程和数学模型；
[0007]根据所述关系方程和数学模型，取电机转速以及转速的一阶微分作为状态变量，确定二阶的状态空间表达式，以构建直流电机状态方程模型；
[0008]根据所述直流电机状态方程模型的二阶非线性系统模型，确定滑膜切换面；
[0009]根据李雅普诺夫函数以及所述滑膜切换面，确定系统的控制律，进而确定直流电机的终端滑模控制律；
[0010]其中，所述终端滑模控制律用于对所述直流电机进行终端滑模控制。
[0011]可选地，所述方法还包括：
[0012]运用Matlab工具，设计正弦波输入和阶跃输入的Simulink仿真程序，设计
Simulink 函数控制律子程序和Simulink函数被控对象子程序；
[0013]通过控制变量分析，运行仿真程序，获得多个电机速度跟踪和误差图以及控制电压输入图，对比判断出终端滑模控制律参数对系统跟踪和收敛情况的影响。
[0014]可选地，所述电压平衡方程的表达式为：
[0015][0016]其中，u是电枢电压，i是电枢电流，R
s
是电枢电阻，L
s
是电枢回路电感，e是反电动势， di是电流变化量，dt是时间变化量；
[0017]所述反电动势方程的表达式为：
[0018]e＝K
e
ω
[0019]其中，e是反电动势，K
e
是反电动势系数，ω是电机转速；
[0020]所述电磁转矩方程的表达式为：
[0021]T
e
＝K
T
i
[0022]其中，T
e
为电磁转矩，K
T
为转矩系数，i是电枢电流；
[0023]所述转子运动方程的表达式为：
[0024][0025]其中，J为转动惯量，dω是电机转速变化量，dt是时间变化量，T
e
为电磁转矩，D为粘性阻尼系数，T
L
为负载转矩；
[0026]所述电压和转速的关系方程为：
[0027][0028]可选地，所述方法还包括：
[0029]根据所述电压和转速的关系方程，构建二阶状态空间表达式；
[0030]所述二阶状态空间表达式为：
[0031][0032]其中，x1代表电机转速ω；x2代表电机转速导数dω/dt；分别代表x1和x2导数；y代表系统输出；R
s
是电枢电阻；为转动惯量；L
s
是电枢回路电感；D为粘性阻尼系数；K
T
为转矩系数；u是电枢电压；T
L
为负载转矩。
[0033]可选地，所述方法还包括：
[0034]预定义误差向量；
[0035]根据所述误差向量，构建滑模函数；
[0036]构建终端函数的多项式；
[0037]所述滑模函数的表达式为：
[0038]s＝C(E
‑
P)
[0039]其中，C为系数矩阵，E为误差向量；P为待设函数矩阵。
[0040]可选地，所述方法还包括：
[0041]预定义系统期望误差；
[0042]计算反电动势的二次导数和滑模函数一次导数，进而构建李雅普诺夫函数。
[0043]本专利技术实施例还提供了一种直流电机终端滑模控制系统，包括：
[0044]第一模块，用于根据电压平衡方程、反电动势方程、电磁转矩方程和转子运动方程得到电压和转速的关系方程和数学模型；
[0045]第二模块，用于根据所述关系方程和数学模型，取电机转速以及转速的一阶微分作为状态变量，确定二阶的状态空间表达式，以构建直流电机状态方程模型；
[0046]第三模块，用于根据所述直流电机状态方程模型的二阶非线性系统模型，确定滑膜切换面；
[0047]第四模块，用于根据李雅普诺夫函数以及所述滑膜切换面，确定系统的控制律，进而确定直流电机的终端滑模控制律；
[0048]其中，所述终端滑模控制律用于对所述直流电机进行终端滑模控制。
[0049]本专利技术实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
[0050]所述存储器用于存储程序；
[0051]所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
[0052]本专利技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
[0053]本专利技术实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机指令，所述计算机指令存储在计算机可读存储介质中，计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取所述计算机指令，处理器执行所述计算机指令，使得所述计算机设备执行前面的方法。
[0054]本专利技术的实施例根据电压平衡方程、反电动势方程、电磁转矩方程和转子运动方程得到电压和转速的关系方程和数学模型；根据所述关系方程和数学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直流电机终端滑模控制方法，其特征在于，包括：根据电压平衡方程、反电动势方程、电磁转矩方程和转子运动方程得到电压和转速的关系方程和数学模型；根据所述关系方程和数学模型，取电机转速以及转速的一阶微分作为状态变量，确定二阶的状态空间表达式，以构建直流电机状态方程模型；根据所述直流电机状态方程模型的二阶非线性系统模型，确定滑膜切换面；根据李雅普诺夫函数以及所述滑膜切换面，确定系统的控制律，进而确定直流电机的终端滑模控制律；其中，所述终端滑模控制律用于对所述直流电机进行终端滑模控制。2.根据权利要求1所述的一种直流电机终端滑模控制方法，其特征在于，所述方法还包括：运用Matlab工具，设计正弦波输入和阶跃输入的Simulink仿真程序，设计Simulink函数控制律子程序和Simulink函数被控对象子程序；通过控制变量分析，运行仿真程序，获得多个电机速度跟踪和误差图以及控制电压输入图，对比判断出终端滑模控制律参数对系统跟踪和收敛情况的影响。3.根据权利要求1所述的一种直流电机终端滑模控制方法，其特征在于，所述电压平衡方程的表达式为：其中，u是电枢电压，i是电枢电流，R
s
是电枢电阻，L
s
是电枢回路电感，e是反电动势，di是电流变化量，dt是时间变化量；所述反电动势方程的表达式为：e＝K
e
ω其中，e是反电动势，K
e
是反电动势系数，ω是电机转速；所述电磁转矩方程的表达式为：T
e
＝K
T
i其中，T
e
为电磁转矩，K
T
为转矩系数，i是电枢电流；所述转子运动方程的表达式为：其中，J为转动惯量，dω是电机转速变化量，dt是时间变化量，T
e
为电磁转矩，D为粘性阻尼系数，T
L
为负载转矩；所述电压和转速的关系方程为：4.根据权利要求3所述的一种直流电机终端滑模控制方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述电压和转速的关系方程，构建二阶状态空间表达式；所述二阶状态空间表达式为：
其中，1代表电机转速ω；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建晖，张烨，张立，李咏华，洪嘉纯，巩琪娟，黄堃锋，刘嘉睿，张春良，吴宇深，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：