CN108089433A

CN108089433A - 一种用于直流电机的独立数字分数阶pid控制器及控制方法

Info

Publication number: CN108089433A
Application number: CN201711289321.8A
Authority: CN
Inventors: 史永胜; 李娜; 王雪丽; 宁青菊; 史禄培; 魏浩; 李珏
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2018-05-29

Abstract

本发明公开了一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法，包括降压变换器，直流电机系统，分数阶PID控制器。其中降压变换器是一种静态功率电子电路，可将固定的直流输入电压转换为可变直流输出，由于使用电感器和电容器，DC/DC降压转换器产生平滑的直流输出电压和电流，波纹较小，噪声降低。直流电机由电枢和励磁绕组组成，直流电机由励磁电流和电枢电压激发。由于使用分数阶PID控制器，本发明可以提供更平稳的速度控制，而不需要额外的组件或电路。在非整数分数阶PID控制器用于整数系统的应用中，调整增益和相位特性比使用整数分数阶PID控制器时具有更大的灵活性。这种灵活性使得分数阶控制在设计鲁棒控制系统方面具有强大的优点。

Description

一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法。

背景技术

直流电机广泛应用于需要高精度和密度的系统或应用中，例如电动车、钢铁轧机、电动起重机和高精度数字化工具。在这种应用中，采用直流电机是由于其精确和线性的电流转矩特性。通常，电机用于电枢电压控制模式，以实现平稳的速度响应。采用基于脉宽调制(PWM)的输入电压是驱动直流电机最常用的方法。DC/DC电源转换器可以实现更平稳地控制直流电机。特别地，由于使用电感器和电容器，DC/DC降压转换器产生平滑的直流输出电压和电流，波纹较小，噪声降低。

基于PID的控制方案在许多工业应用中是优选的，因为其结构简单，并且具有较少的建立时间，快速控制和低成本应用等各种优点。最近，这种控制方案已经扩展到使用分数演算的广义形式，涉及分数阶的分化和积分，以获得更大的可控性和精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，包括降压变换器、直流电机系统以及分数阶PID控制器；分数阶PID控制器的输出端通过降压变换器与直流电机系统相连，为直流电机提供稳定平滑的输入电压；分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，误差信号为电机的参考速度和实际速度之差。

本发明进一步的改进在于：

降压变换器包括低通滤波电路，低通滤波电路包括全控型开关管IGBT、续流二极管、滤波电感和电容；电容两端作为输出端并联在直流电机上；全控型开关管作为输入端与分数阶PID控制器的输出端相连。

直流电机采用基于脉宽调制的输入电压驱动直流电机，包括电枢和励磁绕组，励磁绕组与降压变换器的输出端相连。

分数阶PID控制器包括分数阶PID控制器和PWM模块，分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，输出端连接PWM模块；PWM模块通过门驱动器将信号输出至降压变换器。

一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)初始化分数阶PID控制器的寄存器、定时器、ADC端口和GPIO端口，输入和出错变量被分配初始值；ADC端口获取电机的实际速度读数；

2)连续计算参考速度和实际速度之间的误差，并由分数阶PID控制器控制变量最小化；

3)然后将分数阶PID控制器的控制信号提供给PWM模块以调节全控型开关管IGBT的开关。

其进一步的改进在于：

降压变换器与直流电机采用状态空间平均法建模进行分析，得到传递函数；分数阶PID控制器的传递函数C(s)如式(1)：

C(s)＝k_p+k_is^-α+k_ds^β,(α,β＞0) (1)

其中，k_p是比例常数，k_i是积分常数，k_d是导数常数，α和β是正实数；

对于分数阶算子离散化，在连续时间内拟合频域，然后进行离散拟合连续传递函数；分数阶算子s^α采用Tustin近似法的离散方法，选择0.001作为采样时间进行离散化；Tustin近似法和双线性方法使用如式(2)所示的以下近似来涉及s域和z域传递函数：

在连续离散转换中，连续传递函数C(s)的离散化C_d(z)由式(3)导出；

C_d(z)＝C(s′) (3)

其中，

在频率ω_L＝1rad/s和ω_H＝10000rad/s的期望频带内s^0_.2的数字分数微分器的最佳极零算法得到极点和零点；然后得到数字分数微分器s^0_.2的波特图，描述出具有Tustin近似法的数字微分器与连续时间微分器紧密匹配；数字积分器与数字微分器的设计方法相同。

通过改变开关的接通时间来调节输出电压。

分数阶PID采用动态PSO方法来优化参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器，降压变换器用于驱动直流电机，采用分数阶PID的控制方法，提高了变换器的控制精度。在提出的FO-PID控制器的情况下，控制直流电机控制速度(电流要求)要小于整数PID分数阶PID控制器情况。这使得该方案节能，并且可以在燃料效率反应堆控制，机器人应用等方面得到应用。性能分析推断了使用提出的分数阶PID控制器，通过较少的努力实现了最佳速度控制，从而提高了控制效率。本发明调整增益和相位特性比使用整数分数阶PID控制器时具有更大的灵活性。这种灵活性使得分数阶控制可以提高系统的鲁棒性。

附图说明

图1是直流电机闭环速度控制流程图；

图2是同步励磁直流电机加控制的整体电路图；

图3是控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3，本发明用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，包括降压变换器、直流电机系统以及分数阶PID控制器；分数阶PID控制器的输出端通过降压变换器与直流电机系统相连，为直流电机提供稳定平滑的输入电压；分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，误差信号为电机的参考速度和实际速度之差；控制系统为分数阶PID控制器，其需要调节五个参数，采用优化技术来调整参数{k_p,k_i,k_d,α,β}，而馈送到分数阶PID控制器的误差信号是电机的参考速度和实际速度之差。针对这五个参数，在五维超空间中进行实参参数优化，采用动态PSO优化技术来调整FO-PID控制器参数。

降压转换器的开关控制由PWM脉冲操作，并调节直流电机的电枢电压。降压变换器包括低通滤波电路，低通滤波电路包括全控型开关管IGBT、续流二极管、滤波电感和电容；电容两端作为输出端并联在直流电机上；全控型开关管作为输入端与分数阶PID控制器的输出端相连；直流电机采用基于脉宽调制(PWM)的输入电压驱动直流电机，包括电枢和励磁绕组，励磁绕组与降压变换器的输出端相连；分数阶PID控制器包括分数阶PID控制器和PWM模块，分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，输出端连接PWM模块；PWM模块通过门驱动器将信号输出至降压变换器。

如图所示，图1为直流电机闭环速度控制流程图。馈送到分数阶PID控制器的误差信号是电机的参考速度和实际速度之差。进而分数阶PID控制器的输出调节降压转换器的占空比(δ)，并调节直流电机的电枢电压。利用状态空间平均法对降压变换器和直流电机进行建模分析，并得到其传递函数；

分数阶PID控制器的传递函数可以表示为：

C(s)＝k_p+k_is^-α+k_ds^β,(α,β＞0)

其中，k_p是比例常数，k_i是积分常数，k_d是导数常数，α和β是正实数。分数阶PID中五个参数中的比例系数k_p、积分系数k_i、微分系数k_d与整数阶PID控制器中的三个参数类似，其控制作用也大致相同，另外多了两个参数分数阶积分阶次α和分数阶微分阶次β，控制精度更高。分数阶算子s^α采用Tustin的离散方法。分数阶PID的参数优化采用智能优化方法，具体选用动态PSO方法来优化参数。

首先是对于分数阶算子离散化，即在连续时间内拟合频域，然后进行离散拟合连续传递函数。在这项工作中，采用Tustin近似法选择0.001作为采样时间进行离散化。Tustin和双线性方法使用如式所示的以下近似来涉及s域和z域传递函数。

在连续离散转换中，连续传递函数C(s)的离散化C_d(z)由下式导出。

C_d(z)＝C(s′)

其中，

在频率ω_L＝1rad/s和ω_H＝10000rad/s的期望频带内s^0.2的数字分数微分器的最佳极零算法可以得到极点和零点。然后可以得到数字分数微分器s^0.2的波特图，描述出了具有Tustin近似法的数字微分器与连续时间微分器紧密匹配。数字分数积分器沿着类似于数字分数微分器的方法设计。

直流电机速度控制反馈机构如图2所示，通过控制直流电机的电枢电压来控制电机的转速。该电枢电压使用降压转换器进行调节，其中占空比的变化调节转换器电路的输出电压。如前所述，脉宽调制信号由PWM模块提供，用于操作降压转换器的开关。

控制方法基于DSP(TMS320F28027)用作实现数字分数阶PID控制器的嵌入式平台而实现。因为它具有模拟和数字输入输出兼容性，更大的可编程存储器，快速的处理速度，并且是实现控制方法的成本有效的方法。处理器的工作频率为60MHz。它具有13个内置12位ADC通道，可以接收0-3V范围内的信号。可以通过指定模拟输入通道的数量，采样频率和通道转换顺序对ADC端口进行编程。它有22个可编程通用输入输出端口。算法的代码首先被编译，然后执行并加载到DSP中。处理器的闪存使其能够在独立模式下运行，避免了主机的需要。

如图3所示，图3为控制方法流程图。首先控制寄存器、定时器、ADC和GPIO端口被初始化。输入和出错变量被分配初始值。ADC获取电机的实际速度读数。参考速度和实际速度之间的误差连续计算，并由控制变量最小化。然后将分数阶PID控制器的控制信号提供给PWM模块以调节MOSFET的开关。此外，通过改变开关的接通时间来调节输出电压。

本发明应用于基于FO-PID的直流电机驱动速度的分数阶PID控制器，独立的数字FO-PID控制器在TMS320F28027DSP上实现。结果表明，通过应用FO-PID控制器，直流电机的速度响应提高了精度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，包括降压变换器、直流电机系统以及分数阶PID控制器；分数阶PID控制器的输出端通过降压变换器与直流电机系统相连，为直流电机提供稳定平滑的输入电压；分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，误差信号为电机的参考速度和实际速度之差。

2.根据权利要求1所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，降压变换器包括低通滤波电路，低通滤波电路包括全控型开关管IGBT、续流二极管、滤波电感和电容；电容两端作为输出端并联在直流电机上；全控型开关管作为输入端与分数阶PID控制器的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，直流电机采用基于脉宽调制的输入电压驱动直流电机，包括电枢和励磁绕组，励磁绕组与降压变换器的输出端相连。

4.根据权利要求1所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，分数阶PID控制器包括分数阶PID控制器和PWM模块，分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，输出端连接PWM模块；PWM模块通过门驱动器将信号输出至降压变换器。

5.一种权利要求4所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，降压变换器与直流电机采用状态空间平均法建模进行分析，得到传递函数；分数阶PID控制器的传递函数C(s)如式(1)：

C(s)＝k_p+k_is^-α+k_ds^β,(α,β＞0) (1)

C_d(z)＝C(s′) (3)

其中，

在频率ω_L＝1rad/s和ω_H＝10000rad/s的期望频带内s^0.2的数字分数微分器的最佳极零算法得到极点和零点；然后得到数字分数微分器s^0.2的波特图，描述出具有Tustin近似法的数字微分器与连续时间微分器紧密匹配；数字积分器与数字微分器的设计方法相同。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，通过改变开关的接通时间来调节输出电压。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，分数阶PID采用动态PSO方法来优化参数。