本發(fā)明屬于電機優(yōu)化控制，提出一種基于事件觸發(fā)機制的永磁同步電機數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，效率高，定位精確，易于控制等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、電動汽車、家用電器等領(lǐng)域，在需要高效率、高功率密度、精確控制的場合有著不可替代的作用。

2、對于執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)的永磁同步電機，迭代學(xué)習(xí)控制是一種能夠有效提高軌跡跟蹤精度的控制策略。然而，現(xiàn)有的研究成果大多是針對永磁同步電機在批次運行過程中提出的一系列控制方法，需要龐大的存儲器存放永磁同步電機運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。然而，由于有限的通信帶寬和可靠性考慮，有必要減少數(shù)據(jù)傳輸量。事件觸發(fā)作為一種解決該問題的常用技術(shù)手段，在實際應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢，它既能滿足系統(tǒng)跟蹤性能的要求，又能降低傳輸負(fù)擔(dān)。因此，對于永磁同步電機，存在基于事件觸發(fā)設(shè)計迭代學(xué)習(xí)控制器的問題。

3、在實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，永磁同步電機的性能很大程度上取決于其參數(shù)模型的精度。然而，永磁同步電機會受到各種外界不確定因素的影響，使得操作人員難以精確掌握永磁同步電機的模型信息，尤其在高精度產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，精確的參數(shù)模型是永磁同步電機實現(xiàn)高性能控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)。參數(shù)模型的不準(zhǔn)確會導(dǎo)致永磁同步電機控制策略的優(yōu)化困難，從而影響永磁同步電機的輸出功率、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。當(dāng)永磁同步電機系統(tǒng)模型不確定甚至是未知時，數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法能夠使得永磁同步電機的速度在有限時間區(qū)間內(nèi)達到很高的跟蹤精度。針對永磁同步電機存在模型信息完全未知或者部分未知的情況，鮮有相關(guān)的研究成果可以很好地處理未知模型信息對永磁同步電機控制性能的影響，實現(xiàn)永磁同步電機良好控制性能的同時，又能減少數(shù)據(jù)信息的存儲量。因此，在不依賴永磁同步電機系統(tǒng)模型精確信息的前提下，設(shè)計一種數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法，使得永磁同步電機速度實現(xiàn)對期望速度的快速跟蹤，并且能夠有效的節(jié)約控制資源是非常有意義的研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為降低永磁同步電機實際應(yīng)用中對物理模型信息的依賴，同時使得永磁同步電機能快速地達到穩(wěn)定狀態(tài)并具有良好的魯棒性，本發(fā)明提出一種基于事件觸發(fā)機制的永磁同步電機數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法，采用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)技術(shù)估計永磁同步電機系統(tǒng)中存在的未知參數(shù)項，然后設(shè)計一種參數(shù)自適應(yīng)更新算法，并基于估計的參數(shù)信息和系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，設(shè)計自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制器；此外，設(shè)計一種事件觸發(fā)機制，用來降低永磁同步電機控制器對系統(tǒng)硬件性能的要求。該設(shè)計能有效降低永磁同步電機控制方法對精確模型信息的依賴，同時保證永磁同步電機系統(tǒng)具有快速的收斂能力，以及減少數(shù)據(jù)信息的存儲量。

2、為了解決上述技術(shù)問題所提出的技術(shù)方案如下：

3、一種基于事件觸發(fā)機制的永磁同步電機數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法，包括以下步驟：

4、步驟1，建立永磁同步電機的動力學(xué)模型：

5、

6、其中，t代表時間點，p(t)表示永磁同步電機的轉(zhuǎn)子角位置，w(t)表示永磁同步電機運動時的角速度；和分別表示p(t)和w(t)的一階導(dǎo)數(shù)；b為粘滯摩擦系數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，iq為q軸定子電流，np為永磁同步電機極對數(shù)，ψf表示磁通，tl表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為了方便后續(xù)控制器的設(shè)計，記u(t)＝iq，代表系統(tǒng)的輸入值；

7、步驟2，確定永磁同步電機系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間模型，過程如下：

8、2.1通過選擇采樣周期ts，并利用歐拉法對連續(xù)系統(tǒng)模型式(1)中的和進行離散化，得：

9、

10、2.2將式(2)代入式(1)中，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換，得到永磁同步電機運動時的離散系統(tǒng)模型表達式為：

11、

12、其中，v∈tn為離散的時間點；tn＝{0,1,…,n}，n是有限的正整數(shù)；

13、2.3將永磁同步電機的位置p(v)和速度w(v)定義為狀態(tài)變量x(v)，記作：x(v)＝[p(v)w(v)]τ，定義永磁同步電機系統(tǒng)的輸入變量為電流u(v)，輸出變量為角速度w(v)；考慮上述永磁同步電機系統(tǒng)是在有限時間內(nèi)重復(fù)運行的，則式(3)所描述的永磁同步電機模型表示為如下離散狀態(tài)空間模型：

14、

15、其中，k∈n+表示系統(tǒng)迭代運行的次數(shù)，uk(v)∈r和yk(v)∈r分別表示系統(tǒng)有界的單輸入和單輸出向量；xk(v)∈r2表示系統(tǒng)的狀態(tài)向量；a，b，c和d分別是具有恰當(dāng)維數(shù)的參數(shù)矩陣，包含了永磁同步電機的各項模型信息，滿足cb≠0，形式如下：

16、

17、為減少永磁同步電機實際應(yīng)用中對物理模型信息的依賴，考慮針對參數(shù)矩陣a，b，c和d信息未知或不完全已知的情形，只利用式(4)中的輸入輸出數(shù)據(jù)信息來設(shè)計控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動控制；

18、2.4為方便后續(xù)控制器的設(shè)計，將輸入uk(v)，輸出yk(v)用超向量形式表示：yk＝[yk(1),yk(2),…,yk(n)]t，uk＝[uk(0),uk(1),…,uk(n-1)]t，則式(4)形式的線性離散系統(tǒng)轉(zhuǎn)述成如下向量形式：

19、yk＝huk+fxk(0)+r?(5)

20、其中，xk(0)是系統(tǒng)任意選取但有界的初始狀態(tài)，h∈rn×n，f∈rn×2和r∈rn×1分別是由a，b，c形成的參數(shù)矩陣：

21、

22、其中，a2,a3,…an分別代表2,3,…n個矩陣a相乘；

23、2.5為方便對未知參數(shù)進行估計，定義矩陣p＝[r,f,h]∈rn×(3+n)代表信息未知的矩陣，為信息已知的向量；令(fv)t和(rv)t代表矩陣f和r的第v行向量，并將h和uk用不同維數(shù)的向量hv∈rv和表示；將(hv)τ表述為(hv)τ＝[hv1,hv2,…,hvv]∈r1×v，其中hvv代表h的第v行第v列對應(yīng)的元素；同樣地，將矩陣p和向量ψk描述成不同維數(shù)的向量pv＝[rv,fv,hv]和形式，式(5)轉(zhuǎn)換成如下向量形式

24、

25、2.6對于永磁同步電機的實際應(yīng)用場景，每個系統(tǒng)參數(shù)必然是有界的，因此式(5)和式(6)定義的參數(shù)h，f，r，hv，fv和rv是有界的；

26、步驟3，設(shè)計自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制器；

27、步驟4，事件觸發(fā)機制的設(shè)計，實現(xiàn)永磁同步電機數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制。

28、進一步，所述步驟3的過程如下：

29、3.1針對參數(shù)向量(pv)t(v∈{1,2,…,n})未知的情況，用表示向量(pv)t第k次迭代時的估計值；得到系統(tǒng)第k次迭代時的輸出yk(v)對應(yīng)的估計值形式如下：

30、

31、3.2為盡可能減小估計誤差的值，構(gòu)造如下最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

32、

33、目標(biāo)函數(shù)(8)在變量處的梯度為：

34、

35、因此，基于梯度技術(shù)，參數(shù)向量的自適應(yīng)更新算法構(gòu)造如下：

36、

37、其中，搜索步長μ＞0是一個權(quán)重因子；

38、3.3為使參數(shù)估計算法具有更強的對時變參數(shù)的跟蹤能力，以及保證參數(shù)矩陣的對角元素構(gòu)造重置算法，對于任意小的η＞0，若則令

39、

40、3.4定義信號yd(v)是永磁同步電機運動時有界的期望速度，則ek+1(v)＝y(tǒng)d(v)-yk+1(v)表示期望的永磁同步電機速度與永磁同步電機運動時產(chǎn)生的實際速度的誤差；根據(jù)(hv)τ的定義，令表示(hv)τ的前v-1個元素組成的向量，根據(jù)誤差信息和參數(shù)估計信息，將永磁同步電機的自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制器設(shè)計為：

41、

42、其中，γk(v)是隨時間和迭代變化的學(xué)習(xí)增益，設(shè)計為w＞0是可調(diào)整的參數(shù)；

43、再進一步，所述步驟4的過程如下：

44、4.1定義事件觸發(fā)的迭代序列為ks,s＝1,2,…，觸發(fā)時的輸入為觸發(fā)誤差為則關(guān)于輸入uk(v)設(shè)計的觸發(fā)條件如下：

45、

46、其中，λ1＞0且λ2＞1均是有界的正常數(shù)，

47、4.2基于事件觸發(fā)機制的永磁同步電機數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法描述如下：

48、

49、其中，

50、現(xiàn)有的關(guān)于事件觸發(fā)策略大多是在基于模型的控制方法下進行的，而本發(fā)明提出的策略是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制方案，這意味著控制器的設(shè)計和分析過程獨立于永磁同步電機系統(tǒng)模型信息。此外，根據(jù)觸發(fā)條件，當(dāng)永磁同步電機的速度跟蹤誤差ek(v)特別小時，使用事件觸發(fā)機制可以避免永磁同步電機產(chǎn)生“不必要的”頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，防止系統(tǒng)無限觸發(fā)。

51、本發(fā)明設(shè)計了一種基于事件觸發(fā)機制的永磁同步電機數(shù)據(jù)驅(qū)動自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法，在減少精確模型信息對永磁同步電機系統(tǒng)性能影響的同時，提出的事件觸發(fā)機制能夠有效降低永磁同步電機控制器對系統(tǒng)硬件性能的要求，并實現(xiàn)永磁同步電機系統(tǒng)的良好控制。

52、本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思：針對模型參數(shù)信息未知的永磁同步電機系統(tǒng)，本發(fā)明采用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)技術(shù)來處理永磁同步電機系統(tǒng)中存在的未知參數(shù)項，然后設(shè)計一種參數(shù)自適應(yīng)更新算法，并基于估計的參數(shù)信息和系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，設(shè)計自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制器。該控制器可以保證永磁同步電機具有快速的收斂能力，同時有效減少控制器對精確模型信息的依賴。此外，設(shè)計一種事件觸發(fā)機制，用來降低永磁同步電機控制器對系統(tǒng)硬件性能的要求。使得永磁同步電機系統(tǒng)可以達到較好的控制效果的同時，還可以減少控制器更新次數(shù)。

53、本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在：1、針對永磁同步電機此類具有重復(fù)運動特征的系統(tǒng)，將永磁同步電機作為被控對象，實現(xiàn)永磁同步電機對期望速度的快速跟蹤，減少永磁同步電機控制方法對精確模型信息的依賴，使得控制資源得到有效節(jié)約；2、能夠在永磁同步電機系統(tǒng)存在參數(shù)不確定的情況下，保證永磁同步電機系統(tǒng)跟蹤誤差在有限迭代次數(shù)內(nèi)收斂到零附近的前提下，減少控制器更新次數(shù)，降低對系統(tǒng)硬件性能的要求；同時不依靠動力學(xué)模型具體參數(shù)，僅僅使用動力學(xué)模型產(chǎn)生的輸入和輸出測量數(shù)據(jù)設(shè)計控制器，減少了模型解耦方面的困難，更有利于實際工程推廣。