机械专业中文翻译直流运动控制系统误差分析及控制器的设计.docx

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机械专业中文翻译直流运动控制系统误差分析及控制器的设计

基于伺服追踪控制器的混合H∞适合的模糊数传信号处理器建立的即时落实－马达发动

AhmedRubaai、资深的成员、IEEE、阿布杜R.Ofoli、学生成员、IEEE，andDonatusCobbinah、学生成员，IEEE

摘要－植入的混合H∞适合的模糊控制结构为无刷子伺服传动系统的轨道追踪控制被实现。

控制结构使用经由一个加速回应信号合并一个H∞追踪控制器的模糊逻辑控制器。

模糊逻辑控制器被装备一适合－以法律为基础的Lyapunov综合ap－proach在传动系统上为系统不确定和外部的负荷演戏方面的任意改变偿还。

被提议的控制结构在艺术级dSPACEDS1104数传信号处理器上实验式地被查证（数传信号处理器以）为基础的数据acqui－sition和控制实验室单一hp的无刷子的传动系统的系统。

控制器在Simulink首先被设计。

然后，即时的工作室被用来自动地产生为即时的申请将C密码最佳化。

然后，接口是－tweenMATLAB│Simulink和dSPACEDS1104让控制运算法则涉及数传信号处理器的硬件处理器。

结果是迅速的设计和为各式各样的操作情况追踪控制器的混血儿的imple－精神作用的有力的testbed。

实验的结果被提供查证被提议控制器的效力。

相当多的改善－被混合控制器产生的表现的ment被与传统的H∞控制器相较。

索引期限－适合的法律，无刷子的伺服开车，dSPACE数传信号处理器（数传信号处理器）,模糊控制器，H∞控制器。

I.介绍DUCTION

最近，模糊逻辑控制已经为新奇的控制策略吸引作为一位候选人的相当多的注意是－它在conven－tional的方法之上提供的利益的多样性的因素。

不像其他的古典控制方案，模糊逻辑控制是无型号方法。

它不需要受约束系统的一个数学模型描述一关于－它的输入和输出之间的lationship。

在附加、强健和单纯中是对传统的方法在比较中的最极深的而且最有趣的财产。

模糊逻辑控制证明在控制方面高度地有效系统de－附于其后和正确的数学描述不是可得的［1]-[3].虽然模糊逻辑控制介绍一个好工具处理复杂的，但是非线性和不清楚的系统，它为控制器的来自于一个不利点"叁数调音"的suf－fers。

因此，有对一个有效的方法需要为调音全体会员功能而且为了要将输出错误减到最少或者取表现尺寸最大值，规定。

最近，模糊逻辑改编已经被探究。

事实上，藉由层rep－resentation被一些作家［4]探究-[6],语言学的有系统改编的可能性－以规则为基础的系统已经变得相当实际。

然而，相配错误可能减少追踪表现。

在适合的模糊控制中，完成式叁数的相配通常被认为不可能的，和被需要的追踪表现不能够是当做－确信。

在最后十年，H∞最佳的控制原则hasbeen很好地建立了，而且发现让巨大的申请toskillfully对待强健的安定和扰乱拒绝问题［7],[8].即使相当多的进步根据设计H∞最佳的控制器已经被表现，一个适当表现压重的选择强健H∞控制器仍然是在thedesign主要的问题。

理由是在大多数的设计情形中，压重当做"拉手利"，直到他或者她获得满意地运行的一个系统，调整被考虑。

除此之外，H∞最佳的控制设计预先需要系统模型的知识。

现在，非线性单一输入－单一输出systemsusing适合的模糊方法的H∞追踪设计已经在［9]中被计划。

Simu－lation结果揭露，任意的小变薄水平能被达成，如果一个控制变数的权衡因素足够地被选择。

然而，适当表现压重的选择仍然依赖背景和设计者的才能。

在这纸中，即时落实混合H∞适合的模糊控制器使用dSPACEDS1104数传sig－nal的处理器（数传信号处理器以）为基础的数据获得和控制（DAC）制度被呈现。

两者的H∞追踪控制器和模糊逻辑控制器一起被整合为ac无刷子的伺服设计小说追踪控制器结构－马达发动。

模糊控制器被装备以Lyapunov安定方法为基础在传动系统上偿还forparameter变化和外部的扰乱的适合的法律。

实验的结果表示，转子速度追踪回应能被控制在各类型的操作情况之下接近地跟随被需要的输出。

II.DYNAMIS传动系统

被用于实验的无刷子的伺服马达是刺激的被一个三状态正弦曲线补给和受到驱策的从一个六步骤的反相器用符合的频率即时对转子速度将持续的电压转换成三状态电压。

传动系统的模型习惯于designtheH∞追踪控制器和模拟它的dynamicbehavior。

然而，模糊逻辑控制器不requiremathematical模型而且有能力接近非线性系统。

读者被关于无刷子直流传动系统的动态模型的细节参照［10]。

因为讨论的目的，传动系统的动力学能依下列各项被写：

（1）

这里r、L、J、D、λ、p和α分别地，是固定子抵抗、固定子感应系数，机器的惯性常数，那弄湿常数、被如固定子卷、杆的数字所看的长备磁铁建立的流出连合的大小，与负荷转力矩有关而且是挑选的不定相配马达的力量等级、和z的一个常数＝3pλ│4J。

期限V、ω和遗传素质是直流联编的电压，转子速度和固定子涌流的直接成份，分别地。

系统

（1）依下列各项能以隆重的仪礼被写空间形式：

x（n）=f（x）+gu+d,y=x

（2）

这里x（x，x˙,...,x（n？

1））＝T∈Rn，g＝2z│（πL）,d是外部的扰乱、和u＝V。

自从g以后＝0为x∈Rn，系统在全部空间Rn中是可控制的。

III.CONTROL发展

混合的适合H∞模糊使用模糊逻辑控制器的控制器被实现整合一个H∞追踪控制器。

图1表示被提议控制制度的全部方案。

它有三个砌块：

1）模糊逻辑控制器；2）修正以Lyapunov综合方法为基础的模糊控制器的叁数的适合的法律；而且3）一个H∞追踪系统。

H∞追踪控制器有能力照顾强健的sta－bilization和扰乱拒绝问题，当模糊逻辑控制器被当作适合模糊控制器的原则成份使用的时候。

实际上，它与修正以Lyapunov综合方法为基础的控制器的叁数的适合的控制法律一起配备。

Fig.1.Blockdiagramoftheoverallproposedstructure.Fig.2.BlockdiagramoftheH∞controller.

A.H∞追踪控制器

控制器目的将获得高表现伺服追踪；因此，控制问题将强迫实际的输出跟随一预定跳跃叁考轨道。

追踪表现指出伺服mo－岩山跟随一个被需要的位置轨道地多接近，速度轨道、或加速轨道。

因为讨论的目的，我们定义追踪错误成为ε＝[ε，ε˙］T，ε是转子速度错误和ε的地方？

加速错误是。

结果，速度错误ε＝ω裁判员？

ω行为和加速错误ε？

＝α裁判员？

α行为被当作对H来说的输入变数∞控制器使用。

在这里，ω行为每秒是在弧度中的实际的速度，而且ω裁判员是被需要的叁考速度而α裁判员每正直的秒是在弧度中的被需要的加速，而且α行为是有计划的加速。

加速在超过二的速度连续的抽取样品期数中当做不同被计算。

H∞追踪控制器的一个区段图表在图2被显示。

H∞控制法律被定义为［8],[9]

（3）

这里rr是一个权衡因素和P是P的被单一化的像Riccati一样的相等的解决＝PT＝0

PA+ATP=−Q.

Fig.3.Blockdiagramofthefuzzycontroller.

矩阵A和B有被

由k＝[k1,k2]选择以致于多名p（S）=Sn＋KnSn的所有根？

1+?

？

？

＋k1在露天下左侧的飞机是。

B.模糊逻辑控制器

模糊逻辑控制器构成如果－那么使用一些特定的模糊推论、fuzzification和defuzzification策略规定。

模糊逻辑原则用中心－平均的defuzzier，产品推论，和一个fuzzifier被当作模糊控制器［7]的砌块使用-[8].被发展了的模糊控制器的一个区段图表在图3被显示。

模糊－在这纸中被实现的以逻辑为基础的控制器有二输入和一输出。

输入是转子速度错误和回应加速错误，藉由对一个模糊变数符合的每这些输入。

输出是模糊控制决定。

与信号有五模糊组的转子速度错误有关的模糊变数：

积极的大的（PL）,积极的媒体（PM）,对准零位（ZE）,否定大的（NL）,和否定媒体（nm）.作为速度错误的模糊全体会员功能的典型例子在图4被显示。

（一）这样，为转子的任何给予价值加速错误，全体会员μ的程度，到哪一个它属于每这些组，能被决定，和以这数据为基础的控制决定能被获得。

同样地，加速错误能被描述被一群部份地交叠处理模糊组当做PL、PM、ZE、NL和nm，有有它自己的全体会员功能的每组。

组成模糊变数加速错误的一个典型全体会员功能的例子在图4（b）被显示。

这五模糊组能被i象征，i＝1,2和j＝1,2,3,.。

。

，5.他们的对应mem－bership的功能能被μFj（xi）象征,i＝1,2andj＝1,2,3,.。

。

，5.马达发动系统在研究之下被跑了在两者的方向和决定于1250r│最小的速度。

在实验的一立即中，马达的速度应该从一个步骤速度追踪期间的大约1200-0r│最小掉落。

ThisHence，最大的输入错误信号可能是10V.实际的速度范围被使常态化了从±2500?

?

转│最小到±1当加速被使常态化了的时候从±25rad│s2到±1.

1）模糊逻辑规定：

模糊的设计的下一个步骤－以逻辑为基础的控制器是模糊的决心如果－那么推论规定。

模糊的数字规定，那被需要和模糊的数字的产品相等设定那组成每一个这二个模糊输入变数。

对于模糊控制器在这里描述，那输入变数表现转子加速错误和它的加速错误每个有五模糊组。

因此，总共25模糊规则被需要。

在每个期间抽取样品间隔，一个控制器被计算，马达速度错误和它的加速错误的全体会员的程度的现在价值为每组成他们的分别模糊变数的模糊组被计算。

如果每模糊组预期现在有某一程度的全体会员，这一个程序是模糊逻辑控制运算法则的最大计算负担之一输入马达速度错误和它的加速错误的价值。

在附加中的这意志影响速度错误在哪一个因为所有的规则必须被评估，模糊规则被评估。

使用一个三角形的全体会员功能作为输入vari－聪明的非常令人想要减少这计算的负担和速度增加程序。

这确定，只有二个模糊设定，这是交叠处理，将会实际上有全体会员的非零de－gree［图4

（一）和（b）].藉由这利益，在每个组的全体会员的程度的评估被加速。

这也速度向上自从只有符合非对准零位要评估的全体会员功能需要的价值的那些规则以后的模糊规则的评估。

因此，为这一个控制器，不过四条模糊规则需要在任何的抽取样品间隔期间被评估。

模糊推论规则已经使用无刷子驾驶伺服系统的标准回应被实验式地决定。

Fig.5.BlockdiagramoftheH∞hybridadaptivefuzzycontroller.

大体上因为j＝1,.。

。

，5l＝1,.。

。

，5k＝1,.。

。

，25.

规则前情的连接词被模糊操作十字路口评估被最小操作员实现。

规则力量为一条特别的规则表现输出变数的全体会员的程度。

定义规则力量ξi，特别规则的j当做

ξi,j=minµFspeed,µFaccel

这里i∈［PL、PM、ZE、nm，NL］与模糊变数，速度错误和j∈有关［PL、PM、ZE、nm，NL］是associ－以模糊变数在，加速错误。

从上方，它很清楚为所有的规则哪里至少，在对应的模糊组的全体会员的程度之一是零，输出那最小操作员将会是零，而且因此，这些规则不一定要被分析。

模糊推论引擎使用适当地设计的知识库为每条规则评估模糊规则而且生产输出。

后来，多输出被转换到defuzzification接口的脆输出。

2）Defuzzi？

阳离子：

一经被聚集的模糊组表现－ing模糊输出变数已经被决定，实际的脆控制决定一定被作出。

解码输出为控制信号生产实际的价值的程序被称为defuzzification。

因此，模糊逻辑－以控制器為主的中心－平均的defuzzifier被实现。

controloutput有被

也可以写成：

θ（μO1,...,μO25）＝是一个叁数矢量表现使用改编法律在线被调节的输出的全体会员的程度。

C.在线改编

由使用适合的法律，模糊叁数θ能被调节被在线基于的Lyapunov综合方法。

回应控制法律能被表示成追从［9]:

叁数θ使用下列的适合法律被调整：

•

θ=γξ（x）gBTPε

rr=2ρ2

在γ是一个改编增益的地方。

区段图表在图5在这纸中被实现的全部H∞适合的模糊控制器被显示。

IV.EXPERIMENTAL装备

实验室装备有dSPACEDS1104数传信号处理器－基础的运动控制器［11],Pentium有窗口新台币4.0、一个八杆的无刷子的伺服马达，驾驶员董事会T200-410,被装备WinDrive接口系统［12]、一个烫发磁铁直流（PMDC）产生器，转力矩trans的3500百万赫兹的个人计算机－ducer、和信号产生器和示波器。

图6表演无刷子伺服－马达发动的系统的硬件装置的一个区段图表，当图7展览的时候实验室装备的一个迅速射击

DS1104董事会在Pentium3个人计算机中被安装。

控制计画在和DS1104董事会的即时接口结合的SIMULINK环境被写。

被用于实验室实验的软件的主要成分以MATLAB│Simulink计画为基础。

控制法律被在Simulink设计而且在真正的时间被运行

Fig.6.BlockdiagramoftheH∞hybridadaptivefuzzycontroller.

Fig.7.Photographofthelaboratorysetup.

Fig.8.Sawtoothspeedtracking,X=2s/div,Y=150r/min/div.

使用dSPACEDS1104数传信号处理器搭乘。

一经控制器已经被增添Simulink，控制器被上传到dSPACEDS1104。

装备对在控制器董事会转换Simulink区段方面所依据的Simulink的一个接口的即时的DS1104数传信号处理器董事会－设定到一个涉及DS1104数传信号处理器处理器的机器密码。

实验正在跑，不过dSPACEDS1104提供一个让使用者在线改变控制器叁数的机制。

因此，当实验在进步方面的时候,使用者看真正的程序是可能的。

dSPACE联编者嵌板（CP1104）提供容易的接触所有的输入和DS1104董事会的输出信号。

T200-410驾驶员董事会透过DS1104董事会与个人计算机一起接口。

它提供程序变数能被检测的二类比输出点（TP1和TP2）。

在规画T200驾驶、实际的位置，实际的速度和加速之后能被检测，而且当做回应的来源的服务为控制运算法则作信号。

被确信的位置和速度在200抽取样品的他们相等类比信号μs和对数传形式的转变里面被显示。

加速起源于速度信号。

低途径第三次序的Butterworth过滤器作为噪音除去，而且近路频率是5rad│s。

控制备用的力量（24Vdc）确定，T200驾驶不丧失绝对的位置数据或者状态数据当ac主要的力量从驾驶线路（T200）被移动的时候.八杆的无刷子的伺服马达被Moog航空宇宙、公司，[13]制造了。

马达的桥位置直接地被加倍到一个分解器和被当作一个负荷使用的一个PMDC产生器。

V.EXPERIMENTAL产生

一些测试情形对evalu在实验室中被完成－吃了被提议控制方案的表现。

然而，唯一的显着结果在这纸中被报告。

强调被提议的达成方式精密和速度的准确性和加速测量，实验的结果是与Q＝diag（4q，q）,和q的ob－tained＝0.4.改编法律的被需要的coeffi－cients被描述为k1=10和k2=5.改编增益γ＝1,和权衡因素被描述为rr＝0.02.所有的实验结果被获得使用Agilent54641A数传示波器，而且后来为较进一步的分析节省叭塌叭塌响的盘片费用。

当叁考信号是从低点到高速范围的步骤，锯齿和正弦曲线－波轨道的时候，实验的结果为速度追踪被显示。

这些测验结果与H∞控制器一起重复，而且结果在无花果树被显示。

8–22.在所有的情况，实际的速度在被需要的叁考速度上被重叠为了要比较追踪准确性。

A.低而且零－速度的表现

传动系统为混合适合的模糊控制器的低速表现被测试在多种的±300?

?

转│最小。

无花果树。

8和9表示锯齿和正方形－波的速度追踪。

它能被见到，马达的实际速度总是追踪被需要的叁考信号。

对于这些追踪表现的对应控制努力被屈服无花果树。

10和11,分别地。

速度追踪为一个正直的波在图12被显示。

广场－波的叁考信号从一条零－速度的规则开始到600?

?

转│最小。

这被做检测从停顿到萣生熟的速度的驾驶sys－tem的表现变化。

清楚地，转子速度接近地追踪被需要的叁考速度。

图13为正弦表示对应的控制努力－和正方形－波的tra－jectories。

注意，传动系统的实际速度相配被需要的叁考总是追踪。

这是在操作期间着手进行的控制程序是多好的指示。

很清楚的是，被提议的混合控制器达成正确又稳定的控制而且够强健来达成正确的追踪表现不管叁考轨道的类型。

Fig.9.Square-wavespeedtracking,X=2s/div,Y=150r/min/div.

Fig.10.Controleffortforsawtoothspeedtracking,X=2s/div,

Y=1V/div.

Fig.11.Controleffortforsquare-wavespeedtracking,X=2s/div,

Y=2V/div.

Fig.12.Square-wavespeedtracking,X=2s/div,Y=300r/min/div.

Fig.13.Controleffortforsquare-wavespeedtracking,X=2s/div,Y=2V/div.

B.低到－高速的表现

在这一个测试中，一个有趣的速度叁考信号被适用于传动系统。

步骤指令从低速到高速的信号被应用，而且结果在图14被显示。

这些步骤变化意味着被适用于传动系统的一个突然负荷。

从身材，它能被观察，传动系统能够在变更速度指令之下追踪速度。

对于追踪的这的对应控制努力在图15被显示。

C.表现在外部的扰乱之下

要示范混合控制器的能力和强健，当实验在进步方面的时候，一场外部的扰乱任意地被适用于传动系统。

测试装备有PMDC产生器加倍到无刷子马达发动系统的桥。

一个可变的抵抗负荷然后连接到PMDC产生器的终端机，这被打开和走开在马达上引起突然的负荷变化。

严厉的测试能藉由以高速的表现在抵抗的负荷中经由减少在传动系统上增加负荷被获得。

图16在零的而且600?

?

转的│最小步骤表示速度规则。

突然的负荷变化在ap被应用－接近地2和4年代以及在12和13年代。

它能被观察被提议的策略有效地拒绝扰乱而且继续在这些情况之下追踪速度。

图17在扰乱之下为这一个追踪显示控制努力而因为一个正弦－波的速度追踪在身材上被显示的例证在外部的负荷扰乱之下运行了，图18表现测试的结果。

在上述的结果中，它是ob－服侍，控制器很好地从扰乱复原而且证明被提议混合的控制策略的效力。

图19显示转力矩结果的变化为正弦曲线波速度追踪在被应用的突然的负荷变化之下在大约6,11,和16年代。

转力矩被观察在每一场扰乱期间打过头。

同样地，图20在是应用的突然的负荷变化之下举例说明一个正方形－波的速度追踪在大约4,10,而且15年代，分别地。

转力矩的一个平行的回应也被观察。

Fig.15.Controleffortforstepsignalspeedtracking,X=5s/div,Y=2V/div.

Fig.16.Square-wavespeedtrackingunderdisturbance,X=2s/div,Y=300r/min/div.

Fig.17.Controleffortforsquare-wavespeedtrackingunderdisturbance,X=2s/div,Y=2V/div.

Fig.18.Sine-wavespeedtrackingunderdisturbance,X=2s/div,Y=300r/min/div.

Fig.19.Torqueresultsforsine-wavespeedtrackingunderdisturbance,X=2s/div,Y=0.5N·m/div.

Fig.20.Torqueresultsforsquare-wavespeedtrackingunderdisturbance,X=2s/div,Y=0.5N·m/div.

Fig.21.Sine-wavespeedtracking,X=2s/div,Y=150r/min/divforH∞controller.

Fig.22.Sawtoothspeedtracking,X=2s/div,Y=150r/min/divforH∞controller.

VI.结论

一个伺服传动系统已经使用dSPACEDS1104数传信号处理器建立的DAC系统为一个单一hp的实验室无刷子的马达在实验室中被实现。

测验结果已经显示，被提议的混合控制器达成了好追踪表现和稳定的控制，在为一些被需要的叁考轨道载入情况之下。

达成有一个准确性的高度程度的追踪程序的混合骗局－轮唱的能力，甚至当着任意的扰乱面前，也被示范了。

这突然（随意）变化在负荷中被为一些叁考轨道表演了，而且非常有希望的结果被观察了。

为了要出示混合控制器的利益，一个表现比较与conven－tionalH的∞控制器也已经被呈现。

它已经在表现混合适合的模糊H∞控制器更强健被发现当做与保守的H∞控制器相较。

参考

［1]L.X.王和J.M.孟德尔，"模糊基础动