[发明专利]一种大型机电混合惯量系统控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动控制领域的方法，具体涉及一种基于卡尔曼滤波模糊PID算法对大型机电混合惯量系统的转速、惯量进行控制的方法。

背景技术

大型机电混合惯量系统被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工业等领域中，主要通过控制电机驱动和补偿机械惯量部分动能，达到加载目的。如何准确地、兼顾地控制电机转速和系统输出惯量是控制大型机电混合惯量系统进行加载的技术关键。目前在相关领域中，已存在针对大型机电混合惯量系统转速控制的方法，但是能同时精确控制系统输出转速和惯量的方法少之又少，随着工业领域的发展，大型机电混合惯量系统应用范围日益扩大，对精确控制其输出转速和惯量的方法研究已迫在眉睫。

在大型机电混合惯量控制系统中，电机转速的调节是精确控制系统输出转速和惯量的技术前提。PID控制器由于其结构简单，对模型误差具有鲁棒性强及易于操作等优点，被广泛应用于转速控制系统中，但是随着工业发展，尤其针对具有大滞后、时变性和非线性特点的大型机电混合惯量系统，被控对象复杂程度不断加深；且多数大型机电混合惯量系统要根据工业需求随时变更机械惯量部分，导致系统参数发生改变，增加了精确控制的难度。单纯采用传统的PID控制导致控制效率低，系统稳定性差，难以满足目标控制的精确化要求。

此外，由于大型机电混合惯量系统多应用于干扰较大的工业环境中，存在许多随机干扰，如空间辐射干扰、电源干扰和信号传输干扰等，对惯量控制系统中反馈控制信号产生较大的影响，从而降低了系统的检测精度和控制精度。目前针对大型机电混合惯量系统中反馈信号的滤波方法还不够成熟，多采用灵敏度较低的数字低通滤波技术，难以满足大型机电混合惯量系统反馈信号滤波要求。

综上，研究一种能稳定、精确控制大型机电混合惯量系统的控制方法是十分必要的。

发明内容

本发明提供一种大型机电混合惯量系统控制方法，目的在于精确控制大型机电混合惯量系统输出转速和惯量。

本发明采取技术方案是：包括以下步骤：

(1)大型机电混合惯量系统初始化后，设定系统期望输出转速和惯量；

(2)电惯量控制器根据设定的期望惯量结合力矩传感器反馈并经过卡尔曼信号滤波器处理的转动力矩信号完成补偿电惯量的计算，并输出修正增益值K，电惯量控制器根据期望转速输出给定转速信号，给定转速信号与转速传感器测量并经卡尔曼信号滤波器处理得到的转速反馈信号之差作为转速调节器的输入信号，转速调节器输出信号乘以修正增益K，得到电流调节器的输入信号，电流调节器的输出信号经过可控硅整流装置输出电机的电流控制信号，从而控制电机调节系统输出转速和惯量；

(3)所述转速调节器是基于模糊控制器在线整定PID参数的方法进行设计，以提高转速控制系统的动态响应和稳态特性；

(4)取采样周期为0.01s对卡尔曼信号滤波器进行设计，使其能对转速反馈信号和转矩信反馈号进行滤波处理。

本发明一种实施方式是：所述设计转速调节器的具体设计步骤如下：

(a)选取转速偏差e和偏差变化率e_c作为输入语言变量，比例增益系数K_p、积分增益系数K_i和微分增益系数K_d作为输出语言变量，模糊等级为七级，语言变量值取 {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}7个模糊值，NB表示负大，NM表示负中，NS 表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大,隶属函数均选用三角形隶属度函数,根据PID控制器参数自整定原则结合专家经验设定输入、输出语言变量论域和模糊控制规则；

(b)根据模糊规则，对所有输入语言变量(转速偏差、偏差变化率)量化后的各种组合通过模糊逻辑推理方法离线计算出每一个状态的模糊控制器输出，最终生成模糊控制表:

i)K_p的控制规则为:

ii)K_i的控制规则为:

iii)K_d的控制规则为:

其中模糊推理机采用Mamdani型推理系统，解模糊器采用重心法,在求得控制表后，将控制表存储在计算机中，并编制一个查找控制表的子程序，实际控制过程中通过查表，带入公式计算即可得到整定后的K_p、K_i和K_d值。

本发明一种实施方式是：所述卡尔曼信号滤波器具体设计方法如下：