一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法，包括以下步骤：S1.设计多电机抗饱和控制系统；S2.根据多电机系统模型得到系统状态方程；S3.设计虚拟控制器；S4.设计总量协同一致抗饱和控制器；S5.仿真验证本方法有效性与稳定性。本发明专利技术设计的滑模虚拟控制器，保证虚拟电机的输出转矩值在有限时间内快速动态跟踪系统参考转矩值；设计的抗饱和补偿器和总量协同一致抗饱和控制器，保证多电机牵引系统在外部扰动和执行器饱和时仍然具有较好的鲁棒性和协同跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法
本专利技术涉及一种总量协同一致控制方法，更具体地，涉及一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法。
技术介绍
在实际的多电机控制系统中，控制器通过执行器控制被控对象。而执行器由于受到自身物理限制和应用环境等影响，会出现饱和现象，导致控制系统的性能下降，进而影响整个多电机系统控制的精确性。因此，执行器抗饱和研究问题无论从工程上还是实际生活上来说，都是一个亟待解决的问题。有文献研究了一类具有不确定性扰动和执行器饱和的系统控制问题，研究了执行器饱和状态下基于鲁棒观测器的不确定奇异时滞系统无源控制问题；也有的文献利用线性矩阵不等式研究了执行器随机饱和的非线性二阶系统的状态反馈控制问题。还有文献设计了一种将复合非线性反馈和超扭曲控制两种方法相结合的具有整体滑动面的控制器来解决执行器饱和问题。总量协同一致控制问题是基于多电机系统一致性问题的基础上进行研究。近年来，一致性问题的研究取得了巨大的进展。比如，国内文献研究了具有内在非线性动力学和有界不确定性的动态多智能体网络中的固定时间一致性问题；研究了具有概率时变的时滞和信息缺失的多智能体系统的一致性问题；研究了非定向网络上连续多智能体系统的一致性；研究了一种由连续时间和离散时间动态智能体组成的混合多智能体系统的一致性问题。综上所述，目前对于多电机控制系统一致性与执行器抗饱和问题的研究成果颇丰，但上述文献都缺乏在保证系统总量协同一致的基础上进行执行器抗饱和控制的研究。在某些并不需要个体之间相互同步的实际场合，多电机系统需要维持其输出牵引动力总量恒定。例如，当发个电机发生故障后，会导致该电机动力损失，为了保证系统仍能具有容错工作功能，我们希望能够维持各电机的总动力之和不变。这就需要研究多电机动力总量协同一致控制方法。该控制方法中，一旦某执行器发生饱和现象，则会影响其余正常电机的运行，甚至影响整个多电机系统的控制性能。因此，多电机动力总量协同一致抗饱和控制问题是一个实际的工程应用问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中执行器发生饱和现象，会影响其余正常电机运行，甚至影响多电机系统的控制性能的问题，提供一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法，包括以下步骤：S1、设计多电机抗饱和控制系统模型；S2、得到多电机抗饱和控制系统状态方程；系统状态方程为：其中，xj＝[x1j,x2j,x3j]T，dj＝[0d1jd2j]T为时变的复合干扰；d1j＝-Δa0jx1j-Δa1jx2j+Δbjuj*+fj参数摄动值Δa0j、Δa1j、Δbeqj、Δbj以及状态变量在工程实际中是有界的；S3、设计虚拟控制器；虚拟控制器表达式为：其中，ε0为正常数，sgn(·)为符号函数，D0为已知的非负值且D0≥|d0|；S4、设计总量协同一致抗饱和控制器；总量协同一致抗饱和控制器表达式为：其中，式中，εj(j＝1,2,...,n)为正常数，Dj为已知的非负值且Dj≥|dj|；S5、仿真验证本方法有效性与稳定性。进一步的，在步骤S1中设计虚拟控制器和总量协同一致抗饱和控制器，使得系统总牵引转矩跟踪误差收敛至一定范围内，维持多电机系统牵引动力总量协同一致，具体表达式为：其中，t为时间，T2为总量协同一致误差收敛时间，为有界函数。进一步的，在步骤S2中先采用非奇异终端滑模控制方法设计得到虚拟控制器。进一步的，在步骤S3中设计虚拟控制器先选取滑模面，滑模面的表达式为：其中，eξ(t)＝Tref(t)-Td(t)；进一步的，在步骤S4中设计总量协同一致抗饱和控制器时先设计抗饱和补偿器，抗饱和补偿器表达式为：其中，λj为补偿变量，β为正常数，γ1,γ2(γ1＜γ2)为正奇数，k≥||uj*(t)-uj(t)||。进一步的，在设计抗饱和补偿器时选取非奇异终端滑模面，非奇异终端滑模面表达式为：其中，ej为抗饱和补偿器作用下的牵引转矩误差，即进一步的，在步骤S5中利用Lyapunov函数来证明系统稳定性和本方法的有效性。进一步的，在步骤S5中，仿真实验采用5台电机作为仿真对象，5台电机各个参数均不相同。进一步的，在步骤S5中，仿真过程分为两个不同仿真实验，第一个是正常工况下的仿真实验，第二个是工况恶劣下的仿真实验。本专利技术的有益效果为：设计的滑模虚拟控制器，保证虚拟电机的输出转矩值在有限时间内快速动态跟踪系统参考转矩值；设计的抗饱和补偿器和总量协同一致抗饱和控制器，保证多电机牵引系统在外部扰动和执行器饱和时仍然具有较好的鲁棒性和协同跟踪性能。附图说明图1为基于虚拟总轴的牵引总量协同一致抗饱和控制框图；图2为复合干扰信号图；图3为虚拟控制器跟踪效果图；图4为虚拟控制器跟踪误差图；图5为总量协同一致抗饱和控制器跟踪效果图；图6为总量协同一致抗饱和控制器跟踪误差图；图7为系统总牵引转矩跟踪图；图8为系统总牵引转矩跟踪误差图；图9为电机2的控制器输出图；图10为电机3的控制器输出图；图11为系统总牵引转矩跟踪图；图12为系统总牵引转矩跟踪误差图；图13为执行器饱和时电机2的控制器输出图；图14为执行器饱和时电机3的控制器输出图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法，包括以下步骤：S1.设计多电机系统控制框图，如图一所示：当系统正常运行时，当执行器受到饱和约束时，本文在抗饱和补偿器的作用下，设计虚拟控制器和总量协同一致抗饱和控制器，使得系统总牵引转矩跟踪误差收敛至一定范围内，维持多电机系统牵引动力总量协同一致。即式中，t为时间，T2为总量协同一致误差收敛时间，为有界函数。S2、根据多电机系统模型得到系统状态方程；以角速度为状态变量，即x1j＝ωj，x3j＝Tej，系统状态方程为[20]：式中，xj＝[x1j,x2j,x3j]T，dj＝[0d1jd2j]T为时变的复合干扰。d1j＝-Δa0jx1j-Δa1jx2j+Δbjuj*+fj，参数摄动值Δa0j、Δa1j、Δbeqj、Δbj以及状态变量在工程实际中是有界的。当执行器发生饱和后，总量协同一致控制器的输出不能完全输入到各电机及其驱动系统中，使得控制器的状态在有无饱和约束的情况下产生了差异，这会导致控制系统的性能下降，进而影响整个多电机系统的稳定性能。故设计饱和状态下的控制器为如下形式：其中，umin和umax分别为uj的上下界，且均为已知常数。对于任意连续函数V(t)，若满足以下条件：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、设计多电机抗饱和控制系统模型；/nS2、得到多电机抗饱和控制系统状态方程；/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设计多电机抗饱和控制系统模型；
S2、得到多电机抗饱和控制系统状态方程；



其中，xj＝[x1j,x2j,x3j]T，dj＝[0d1jd2j]T为时变的复合干扰；d1j＝-Δa0jx1j-Δa1jx2j+Δbjuj*+fj，参数摄动值Δa0j、Δa1j、Δbeqj、Δbj以及状态变量在工程实际中是有界的；
S3、设计虚拟控制器；虚拟控制器表达式为：



其中，ε0为正常数，sgn(·)为符号函数，D0为已知的非负值且D0≥|d0|；
S4、设计总量协同一致抗饱和控制器；总量协同一致抗饱和控制器表达式为：



其中，式中，εj(j＝1,2,...,n)为正常数，Dj为已知的非负值且Dj≥|dj|；
S5、仿真验证本方法有效性与稳定性。


2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法，其特征在于，在步骤S1中设计虚拟控制器和总量协同一致抗饱和控制器，使得系统总牵引转矩跟踪误差收敛至一定范围内，维持多电机系统牵引动力总量协同一致，具体表达式为：



其中，T2为总量协同一致误差收敛时间，为有界函数。


3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法，其特征在于，在步骤S3中先采用非奇异终端滑模控制方法设计得到虚拟控制器。


4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：何静，谌雪媛，张昌凡，李涛，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43