现代控制理论 应用实例4

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1、基于以太网的直流电机网络控制平台（总方案）1．系统功能实现基于以太网的对直流电机的网络化控制，用于验证各种网络化控制算法的正确性和有效性，从而为理论研究结果提供良好的实验支持结果，在提升理论结果价值的同时帮助发现更多的存在于网络控制中的实际问题。2．系统组成该系统主要分成两部分：下位机的直流电机控制器（硬件部分）直流电机控制器采用嵌入式DSP控制器。功能：实现与以太网的通信；对直流电机的控制；具有实时曲线显示和历史数据储存功能上位机的监控平台（软件部分）上位机即为一台普通PC机，监控平台采用VB语言编写。功能：实现与以太网的通信；实时曲

2、线的显示；控制算法的实现人机接口直流电机驱动电路曲线显示DSP控制器转速采样以太网接口交换机路由器交换机Network远程端PC机以太网接口socket监控界面（网卡）通信模块（控制实时曲线显示，（控制算法和人控制算法实现）机界面）图1系统结构图3．系统开发计划（1）系统采用软件和硬件分开同时研发的方式进行；同时也开展电机数学模型建立，电机物理参数的整定和仿真研究；开展网络控制算法理论研究（前期拟采用预测控制算法和带预估器的变结构控制器进行实验研究，后面根据具体的理论结果分别开展相应的实验研究）；（2）计划于6月初完成系统各个部分的开发

3、，到6月中旬完成联合调试并投入实验室使用；（3）后面根据需要进一步添加和完善系统功能，例如在上位机部分实现网络时延大小测试和显示等；（4）总经费预算：4600元（详见《硬件设计方案》部分）4．几个关键问题（1）直流电机（有刷）基于状态空间的数学模型建立参数说明：L－电机绕组线圈电感；I－电机电枢电流；U－电机两端输入电压；R－电枢电阻w－电机电枢角速度；J－电机转动惯量；Φ－每极总磁通；C－直流电机感应电动势系e数；C－直流电机转矩系数；T－阻力力矩tf电路平衡方程：dILI+R+=CφwU(1)edt力矩平衡方程：dwJTC+=φI(

4、2)ftdt状态空间模型建立：取状态变量x=w，x=I。系统的两个输入为电机两端输入电压和阻力力矩，即uU=，uT=。1212f则由方程(1)和(2)可得直流电机的状态空间数学模型：⎡⎤Ctφ⎡⎤100−⎡⎤x&⎢⎥J⎡⎤xu⎢⎥J⎡⎤111⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥(a)⎣⎦x&22⎢⎥CeφR⎣⎦xu⎢⎥1⎣⎦2−−0⎢⎥⎣⎦LL⎢⎥⎣⎦L若只取电机角速度为输出量，可得输出方程为⎡x1⎤ywx===[10]⎢⎥(b1)1⎣x2⎦若同时取电机角速度和电枢电流为输出量，可得输出方程为⎡⎤y1⎡⎤10⎡⎤x1⎢⎥=⎢⎥⎢⎥(b2)⎣⎦y22

5、⎣⎦01⎣⎦x说明：a.由状态空间模型可知该系统得两个状态变量均是实际可测的物理量，因此，可以直接设计状态反馈控制器；b.若系统取电机角速度和电枢电流两个输出量，则该电机模型是一个多输入多输出系统，具有一定代表性；c.若要得到系统数学模型，必须得到以上描述的电机参数，这是电机购买时需注意的事项。d.由于该系统的平衡态为零（线性系统），而且该系统是一个稳定系统，因此，基于该状态空间模型只能做跟踪控制问题才有意义（如预测控制算法，PID算法等）。当然，其他的基于状态空间模型的跟踪控制算法也是可以做，但比较复杂。由以上分析可知需要建立一个适用

6、于做稳定化控制的有刷直流电机的状态空间模型。受无刷直流电机的状态空间模型建立方法的启发，我们通过增加一个角位移状态变量的方法得到了有刷直流电机的另一个状态空间模型：首先，考虑直流电机空载的情况，即T=0，此时系统成为一个单输入系统：f⎡⎤Ctφ0⎡0⎤⎡⎤xx&⎢⎥J⎡⎤⎢⎥11=⎢⎥⎢⎥+⎢⎥u(3)1xx&CφR⎢⎥⎣⎦22⎢⎥e⎣⎦−−⎣L⎦⎢⎥⎣⎦LL其中，uuU==。进一步，增加角位移θ为状态变量并定义x=θ，显然有x&===θ&wx，于是将系1331统(3)增广为一个三阶系统：⎡⎤Ctφ00⎢⎥J⎡0⎤⎡⎤xx&11⎢⎥⎡⎤

7、⎢⎥⎢⎥⎢⎥CeφR⎢⎥⎢1⎥x&=−−0x+u(4)⎢⎥2⎢⎥LL⎢⎥2⎢L⎥⎢⎥⎣⎦xx&⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥33⎢⎥100⎣0⎦⎢⎥⎣⎦经分析该系统是状态完全能控的，并且具有一个不稳定特征根（实际上是零特征根，但工程上认为是不稳定的，状态轨迹是不收敛的），因此可以基于该模型设计稳定化控制器，所能验证的算法具有普遍性。说明：a.由于假设空载，实验时挂在电机轴上的器件要求尽可能的轻。b.简单的状态反馈仿真研究，结果如图1－图2所示（初始状态为x(0)[001]=）图1状态轨迹图2控制量（2）仿真研究，电机参数校正在购买到电机并获得相应电机

8、参数后，设计一个典型的控制算法（如基于状态反馈的极点配置，PID等）对该电机的控制进行仿真研究，并校正电机参数（实际参数可能跟说明书的有出入）；在硬件平台设计好之后，用该算法加到DSP控制器上进行本地控制，