一种伺服电机节能控制系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种伺服电机节能控制系统和方法，所述伺服电机节能控制系统包括所述伺服电机节能控制系统包括通过网络依次连接的PID控制器、执行器、随机非线性系统、传感器、观测器和量化器，以及接收执行器的信号并将信号传递到观测器的采样器，以及位于观测器与量化器之间的事件触发机制模块，所述伺服电机节能控制系统为基于周期性事件触发机制控制信号传输的闭环控制系统。本系统在PID控制中引入周期性事件触发机制，设置合适的阈值条件监控伺服电机当前采样速度值，在违反预定条件后才将数据传输到PID控制器进行运算，便能很大程度上节省电机与单片机之间的通信资源。度上节省电机与单片机之间的通信资源。度上节省电机与单片机之间的通信资源。

【技术实现步骤摘要】
一种伺服电机节能控制系统和方法


[0001]本专利技术涉及伺服电机控制
，具体涉及一种伺服电机节能控制系统和方法。

技术介绍

[0002]随着数字计算机的发展和数字信号处理理论的逐步成熟，在国民生产生活、国防建设以及科学实验的各个领域，均有数字控制系统的身影。数字系统相对于模拟系统而言，具有精度高、成本低、稳定性好等一系列优点。当系统的控制器输入信号是采样的时，整个系统就成了采样控制的系统。当系统的输入、输出被量化过时，这类系统的一个最显著地特征就是系统中既有连续信号，也有离散信号，相对于仅有连续信号或仅有离散信号的系统而言，这类系统实质上是一种混杂系统。当然，这也为这类系统的稳定性分析和控制器设计带来了一定的困难。
[0003]在实际工业生产中，大部分控制方案都是通过数字控制器作用到被控系统之上的。而在经典的控制范畴里，基于时间驱动的控制是应用最为广泛的方法。在这种控制框架下，系统会以一个固定的周期采样，进而以同样的周期更新控制信号作用在系统上。这种方式尽管实现起来简单，但是会不可避免地造成系统资源的浪费。具体说来，由于控制信号的更新频率固定，为了兼顾系统可能出现的最坏的控制情形，一般会选择比较保守即比较小的采样周期。这种机制的缺陷在于，即使当控制系统己经获得理想的控制精度而不再需要采取任何控制动作时，控制信号依然会以较快的频率进行更新，因而会造成系统资源的浪费。尤其是针对现在以嵌入式为主的独立控制系统，如交流伺服电机或直流伺服电机等，系统由独立的电池供电，并且传输带宽受限，因此可见以小的控制代价实现理想的控制性能变得尤为重要。
[0004]近年来，在电机控制方面运用最多的方法是传统的PID控制，PID控制可以通过调节比例、微分、积分参数有效地使电机的转速稳定在给定的目标速度值。然而，这种方法在运行过程中需要PID控制器不间断的进行计算和反馈误差值，直到电机转速稳定，这势必会导致资源的过渡消耗和浪费，尤其是以电池为供电电源装置的伺服电机。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的一个主要问题是现有的伺服电机通过PID控制中调节比例、微分和积分参数，从而使得电机的转速稳定在给定的目标速度值的方法存在资源浪费和过渡消耗的问题。
[0006]根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供一种伺服电机节能控制系统，所述伺服电机节能控制系统包括所述伺服电机节能控制系统包括通过网络依次连接的PID控制器、执行器、随机非线性系统、传感器、观测器和量化器，以及接收执行器的信号并将信号传递到观测器的采样器，以及位于观测器与量化器之间的事件触发机制模块，所述伺服电机节能控制系统为基于周期性事件触发机制控制信号传输的闭环控制系统。
[0007]优选地，所述随机非线性系统的动力学模型设计为：
[0008][0009]其中，是系统的状态量，是状态向量；是系统的输出；代表系统的控制输入；w是r维标准维纳过程，代表连续函数，代表确定性扰动，采样周期为T，采样时刻为t。
[0010]优选地，将所述动力学模型引入坐标变换得到扩张系统，变换过程为：
[0011][0012][0013][0014]其中，均是通过引入控制增益L后变换后的值；
[0015]通过以上坐标变换，令即为通过坐标变换后系统的状态向量，从而得到如下扩张系统：
[0016][0017]再令即为确定扰动的z
‑
1阶导数通过坐标变换后的一组状态向量，e(t)为系统状态向量和扰动的z
‑
1阶导数向量所组成的增广状态。
[0018]优选地，将所述扩张系统还转换为：
[0019][0020]y(t)＝Ce(t)
[0021]其中：
[0022][0023][0024][0025]其中，扰动至少存在z阶导，z∈N。
[0026]优选地，所述观测器的数学表达式为：
[0027][0028]其中，H＝[a1,a2,...,a
n+z
]T
,即为增广状态观测值所组成的一组状态向量，H为状态观测器系数a
i
,i＝1,...,n+z所组成的向量，为状态观测器增益矩阵，u即采样时刻下的控制器为状态观测器增益矩阵，u即采样时刻下的控制器为正整数集。
[0029]优选地，将所述观测器的数学表达式转换为离散时间形式：
[0030][0031]其中，s为频域下的时间。
[0032]优选地，所述PID控制器设计为：
[0033][0034]其中K是扩张增益矩阵，K0＝[k1,...,k
n
]代表赫尔维茨多项式s2(s)＝s
n
+k
n
s
n
‑1+...+k2s+k1的系数，K＝[K0,1,...,0]1×
(n+z)
，q(
·
)表示有界量化器。
[0035]优选地，所述周期性事件触发机制设计为：
[0036]定义估计误差变量为：
[0037][0038]其中，是状态e(
·
)的估计值，当前采样时刻的值和上一次事件触发时刻的值之前的差表示为ζ(i
k,j
T)；
[0039]基于估计误差变量的数学表达式中ζ(i
k,j
T)的定义，将静态事件触发机制设计为：
[0040][0041]其中，是参数已知的光滑函数，β＞0,p0＞0,p1＞0，Γ是正定矩阵；
[0042]将动态事件触发机制设计为：
[0043][0044]其中，υ(κT)是阈值参数，ε0和ε1均为非负常数，Γ
d
和Θ是正定权重矩阵，
[0045]将离散时间下的动态阈值函数定义为：
[0046][0047]其中，l0＞0和l1＞0是两个正的常数；θ是一个非负常数；是一个正的常数；υ(0)≥0是给定的初始值，动态阈值函数是非负的且非递增的；
[0048]基于静态和动态的事件触发机制得到周期性事件触发机制的阈值条件为：
[0049]0≤υ(κT)≤υ0。
[0050]根据本专利技术的另一个方面，还公开一种伺服电机节能控制方法，包括：
[0051]所述周期性事件触发机制设计为：
[0052]定义估计误差变量的数学表达式为：
[0053][0054]其中，是状态e(
·
)的估计值，当前采样时刻的值和上一次事件触发时刻的值之前的差表示为ζ(i
k,j
T)；
[0055]基于估计误差变量的数学表达式中ζ(i
k,j
T)的定义，将静态事件触发机制设计为：
[0056][0057]其中，是参数已知的光滑函数，β＞0,p0＞0,p1＞0，Γ是正定矩阵；
[0058]将动态事件触发机制设计为：
[0059][0060]其中，υ(κT)是阈值参数，ε0和ε1均为非负常数，Γ
d
和Θ是正定权重矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种伺服电机节能控制系统，其特征在于，所述伺服电机节能控制系统包括通过网络依次连接的PID控制器、执行器、随机非线性系统、传感器、观测器和量化器，以及接收执行器的信号并将信号传递到观测器的采样器，以及位于观测器与量化器之间的事件触发机制模块，所述伺服电机节能控制系统为基于周期性事件触发机制控制信号传输的闭环控制系统。2.如权利要求1所述的一种伺服电机节能控制系统，其特征在于，所述随机非线性系统的动力学模型设计为：其中，是系统的状态量，是系统的状态量，是状态向量；y表示系统的输出，代表系统的控制输入；w是r维标准维纳过程，代表连续函数，代表确定性扰动，采样周期为T，采样时刻为t。3.如权利要求2所述的一种伺服电机节能控制系统，其特征在于，将所述动力学模型引入坐标变换得到扩张系统，变换过程为：入坐标变换得到扩张系统，变换过程为：入坐标变换得到扩张系统，变换过程为：其中，均是通过引入控制增益L后变换后的值；通过以上坐标变换，令即为通过坐标变换后系统的状态向量，从而得到如下扩张系统：量，从而得到如下扩张系统：
其中，L为引入的控制缩放增益，A0、B0、C0、G、ψ为引入坐标变换后对系统以矩阵形式描述的不同的系数矩阵；再令即为确定扰动的z
‑
1阶导数通过坐标变换后的一组状态向量，e(t)为系统状态向量和扰动的z
‑
1阶导数向量所组成的增广状态。4.如权利要求3所述的一种伺服电机节能控制系统，其特征在于，将所述扩张系统还转换为：y(t)＝Ce(t)其中：其中：其中：其中，扰动至少存在z阶导，z∈N。5.如权利要求1所述的一种伺服电机节能控制系统，其特征在于，所述观测器的数学表达式为：其中，H＝[a1,a2,...,a
n+z
]
T
,即为增广状态观测值所组成的一组状态向量，H为状态观测器系数a
i
,i＝1,...,n+z所组成的向量，为状态观测器增益矩阵，k和j为条件触发机制下定义的不同参数，u即采样时刻下的控制器的控制器为正整数集。6.如权利要求5所述的一种伺服电机节能控制系统，其特征在于，将所述观测器的数学表达式转换为离散时间形式：其中，s为频域下的时间。7.如权利要求1所述的一种伺服电机节能控制系统，其特征在于，所述PID控制器设计
为：其中K是扩张增益矩阵，K0＝[k1,...,k
n
]代表赫尔维茨多项式s2(s)＝s
n
+k
n
s
n
‑1+...+k2s+k1的系数，K＝[K0,1,...,0]1×
(n+z)

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明远，郑世祺，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：