电能输入输出控制系统（共9篇）
电能输入输出控制系统 篇1
0 引 言
模型跟踪控制MFCS(Model Follow Control System)是控制理论的一个重要领域,可以应用到智能转向汽车[1]、发动机燃油控制系统[2]等。但是,由于输入输出个数不相等的系统中,状态空间矩阵不是方阵的限制,导致传统的模型跟踪控制只适用于输入个数等于输出个数的情况。
为此,本文首先分析了传统模型跟踪控制方法的局限性,提出了所遇到的问题,然后针对两个问题一一提出解决方案,最后在以两个系统为例,在MATLAB/Simulink上搭建仿真平台,进行验证。特别对输入个数小于输出个数的系统,在所提的解决方案的基础上,增加了移相器,使得改进后的方法适用于任意输入与输出个数与输出个数不等的系统(满足可控可观和相对阶次的前提条件)。
1 模型跟踪控制
对于状态空间线性系统模型跟踪控制[3],被控对象模型为:
(1)
参考模型为:
(2)
其中x(t)∈Rn×1为状态变量,u(t)∈Rm×1为控制输入,y(t)∈Rl×1为控制对象的输出, xm(t)∈Rnm,rm(t)∈Rlm, 状态矩阵的维数分别为A∈Rn×n,B∈Rn×m, C∈Rl×n。
控制率的最终表达式为:
u(t)=-N-1rQ-1(s){Dd(s)R(s)N(s)-Q(s)Nr}u(t)-N-1rQ-1(s)S(s)y(t)+N-1rQ-1(s)T(s)Nm(s)rm(t) (3)
N(s)和Nr(s)由以下式得到:
N(s)=C(sI-A)-1BD(s) (4)
N(s)=diag
σi是N(p)各行元素的最高次数,
则知:N(s)∈Rl×m,Nr(s)∈Rl×m
2 遇到的问题
如果输入个数不等于输出个数,即l≠m,则在用式(3)中计算控制率时,会遇到以下两个问题:
(1) 由于Nr为l×m的矩阵,不是方阵,不存在逆矩阵;
(2) 由于u(t)为m×1矩阵,y(t)为l×1矩阵,不同阶数矩阵不能相加。
此时,控制率计算公式(3)失效。
3 解决方法
3.1 广义逆矩阵的引入
为了解决第一个问题,我们引入广义逆矩阵。
广义逆矩阵是对逆矩阵的拓展,目前,运用比较广泛的是Moore-Penrose广义逆矩阵[4],其中比较简单的求广义逆矩阵的方法是满秩算法:
设A=LR∈Cm×n的秩为r,其中L为列满秩矩阵,R为行满秩矩阵,则:
A+=R+L+=R*(RR*)-1(L*L)-1L* (6)
A+是Penrose广义逆的原始记号,称为“加号逆”。
3.2 输入/输出补零法
为了解决第二个问题,且不改变原方法,我们用补零的方法,将系统变为输入输出个数相等的系统。具体方法如下:假设输入个数大于输出个数,即m>l,则应对输出进行补零,对应的输出矩阵也要补零。
(7)
(8)
如果输出个数大于输入个数,则用类似的方法进行补零。
4 仿真分析
4.1 多输入-单输出系统
多输入-单输出系统电路图如图1所示。
选电感电流iL1、iL2电容电压uC3作为状态变量,根据基尔霍夫电流定律和电压定律[5],得到:
以iL1作为输出量,则有:
(10)
为了计算方便,假设:
L1=L2=1 H,C3=1 F,R4=R5=2 Ω得:
然后即可依照原方法进行模型跟踪控制的设计。得到控制率为:
在MATLAB/Simulink平台上搭建仿真[6],如图2所示。
其中,粗线表示多维信号,细线表示单维信号。仿真结果如图3所示。
由于三角波的尖峰处不可导,故在尖峰前后,误差较大,但是在三角波干扰撤去后的第10 s开始,系统误差接近于零,可以非常好的跟踪上参考模型。
4.2 单输入-多输出系统
单输入双输出系统电路图如图4所示。
同样,应用补零的方法,以及广义逆矩阵理论,可以得到系统的控制率。搭建仿真模型,得到波形见图5。
由图5可以看出,第一组输出可以跟踪上,但是第二组输出只可以跟踪幅值,却总是相差一个相位。其原因是这样的,即使是纯线性系统,当输入个数小于输出个数时,也无法完全跟踪控制,举例来说,两系统如下:
这样,无论如何,都无法实现跟踪。也就是说,只有参考模型和被控对象满足一定比例关系的系统,才能够实现跟踪控制。或者,可以用模型跟踪控制+移相器,完成整个系统准确的跟踪。
5 结束语
根据以上讨论,可知,要对多输入-多输出系统进行模型跟踪控制时,应根据输入输出个数选取不同的方法:
当输入个数等于输出个数时:可以直接运用跟踪控制方法进行运算设计;
当输入个数大于输出个数时:首先对输出进行补零,再对控制率进行计算时,应用Moore-Penrose广义逆矩阵理论求逆;
当输入个数小于输出个数时:运用上述步骤,可以跟踪上与输入个数相等的输出,其他维输出需要设计适当的移位器。
摘要：对于输入输出个数不相等的系统,传统的模型跟踪控制方法控制率算法失效。在深入分析传统模型跟踪控制方法的基础上,提出了补零的方法,并应用广义逆矩阵理论,在不改变原方法的基础上,解决了矩阵阶次不同无法相加和非方阵求逆问题,又对输入个数小于输出个数的系统加入了移相器,成功地实现了对输入输出个数不相等系统的模型跟踪控制。最后在MATLAB/Simulink上构建仿真系统,验证了方法的有效性。
关键词：控制理论,模型跟踪,广义逆矩阵,控制算法,补零
参考文献
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[3]唐厚君,韩正之,尚宇辉,等.广义线性系统模型跟踪控制的新方法[J].信息控制,2000,29(3):198-204.
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[5]刘秉安.基尔霍夫定律及其应用探究[J].科学信息,2009,26(24):537-538.
[6]李传庆,刘广生.基于MATLAB-Simulink的MFA控制模块开发与仿真[J].控制工程,2008,15(S2):61-63.
电能输入输出控制系统 篇2
多输入单输出系统的辅助变量参数估计
利用辅助变量辨识方法,推导出多输入单输出系统的辅助变量递推最小二乘算法,并与辅助模型递推最小二乘法进行了计算量和辨识精度比较.
作 者：赵学良 肖永松 ZHAO Xue-liang XIAO Yong-song 作者单位：江南大学通信与控制工程学院,无锡,214122 刊 名：科学技术与工程 ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING 年，卷(期)： 9(20) 分类号：O211.64 关键词：辅助变量 辅助模型 递推辨识 最小二乘 参数估计有效输入，优质输出 篇3
【关键词】词块 句式 结构 输入 输出 书面表达
一、问题的提出
中考书面表达分值15—20分，但从中考的书面表达得分结果看，平均分偏低、高分人数较少，学生书面表达能力悬殊，从学生卷面情况来看，不足主要表现为：逐字翻译，中文式表达多；简单句多，结构不紧凑；句式单一，不会使用多种表达；文本框架不清晰，缺乏语法结构。这个结果说明初中英语写作教学的成效不高，广大初中英语教师需要切实加强英语写作教学方法、策略。
二、问题的解决
1.大量积累词块。词块作为一种介于单词与句子之间的语言结构，是写作教学的理想单位。词块，即词汇组块（lexical chunks），是语言使用者在语言输入和输出过程中频繁使用的，集语法、词汇和功能于一体，具有特定予以和结构并以固定或固定形式存在，有益于提高语言生成能力的短语、固定搭配、习惯用语和句式。例如在九年级Unit5 B2b的文章中，学生可以整理出高频词块，教师应要求学生在书面表达时熟练运用这些词块。
2.不断丰富文章句式。好作文由好句子构成，打好句子基础是提高英语写作水平的关键。那什么是好句子呢？笔者认为应包含以下要素：语法正确、结构连贯、句意完整、语言简洁。笔者从学生的日常习作中提取典型句子，让学生参与评析，然后通过讲解，使其对好句的四要素有更感性的认识。
除此以外，笔者对于学生作文进行选择性批改。每次布置写作任务时，明确告诉学生本次批改的重点，提醒学生注意。
3.精心锤炼逻辑结构。《英语课程标准》五级标准对写作有这样的描述：能使用常见的连接词表示顺序和逻辑关系；能根据图示或表格写出简单的段落或操作说明。
九年级Unit8 B2b阅读材料中要求学生找到常用连接词并说明功能。如：so—expressing a result； as， because， since—giving reasons； but， however， though—expressing a difference. 并在课本2d部分加以练习。依托课本，笔者还引导学生归纳总结，补充不同功能的连接短语，要求学生在平时练习书面表达时充分运用。如：
4.课内外结合获取语言素材。要提高学生的写作能力，可以有效地利用阅读教学，依托阅读文本，进行写作技能的指导，对文本的篇章结构、句式、词汇进行合理的整合、总结，并有意识输入其他与文本话题相关的词汇、句型等，让学生能够模仿文本并在文本基础上进行拓展，以提高写作能力。人教版初中英语教材Go For It中的3a，2b文章具有内容完整统一、文章结构清晰、上下文衔接自然、句式丰富多样等特点，是很好的学习素材。
5.注重实践，加强写作练习。
（1）突出重点，翻译句子。有些书面表达题目要求学生根据中文提示信息，完成文章。学生很容易用中文句式表达英文内容。因此，要求学生进行中英互译就很有必要。翻译练习是培养学生语言意识，排除母语干扰的好方法。
如九年级Unit 7 2b文章中有许多使用频率高的词块，笔者将这些词块编成中译英练习，既要学生熟悉教材中的词块，又需要思考灵活使用，而不是死记硬背课文句子。
a.看电视会阻碍我们的学业。
Watching TV can get in the way of our schoolwork.
b. 我不反对跑步。
I have nothing against running.
（2）创设情景，仿写句子。仿写是以教材为基础在课文或其他语言材料中选取具有典型意义的表达方式或结构再引导学生有意识地将其改变成具有其他意义的句子。是实现英语语言优质输出的有效手段。通过仿写，学生可以将“书本的语言”变成“自己的语言”。选取生活中的话题、情景让学生仿写，才能激发他们的表达热情和积极性，学生对于该句型印象会更加深刻。
（3）实战演练，限时写作。限时写作是检验学生所学写作知识内化程度的最佳方式，也是教师制定下一步教学内容的重要依据。通常，笔者会根据学生的限时作文，提取出易错点，让学生进行改错练习；列举出好词好句，并标注使用该词句的学生姓名，以增加学生写作信心；归纳改写范文，并引导学生进行评析。
三、总结
书面表达是综合性很强的语言运用方式，教师在教学中要注重学生写作能力的培养和训练，同时也要将听说读写综合起来，以“听”“说”“读”促“写”。通过课本、课堂、课外多方面多层次的输入，实现句子到篇章的优质输出，切实提高初三学生的书面表达能力。
参考文献：
[1]范庆.整合课本阅读素材，提高学生写作能力[J].中小学英语教学与研究，2015，（2）.
电能输入输出控制系统 篇4
1 输入点数的优化
1.1 利用分时分组输入, 减少输入点数
一般控制系统都存在多种工作方式, 但各种工作方式又不可能同时运行, 所以可将这几种工作方式分别使用的输入信号分成若干组, PLC运行时只会用到其中的一组信号。因此, 各组输入可共用PLC的输入点, 这样就使所需的PLC输入点数减少。
如图1所示, 控制系统有自动和手动2种工作方式, 将这2种工作方式分别使用的输入信号分成2组, 自动输入信号“SBl~SB4”, 手动输入信号“Sl~S4”。2组输入信号共用PLC输入点X001~X004 (如SBl与Sl共用PLC输入点X001) 。用“工作方式”选择开关SA来切换“自动”和“手动”信号输入电路, 并通过X000让PLC识别是自动信号, 还是手动信号, 从而执行自动程序或手动程序。
1.2 输入触点的合并, 减少输入点数
如果某些外部输入信号总是以某种“与或非”组合的整体形式出现在梯形图中, 可以将它们对应的触点在可编程序控制器外部串、并联后作为一个整体输入可编程序控制器, 只占可编程序控制器的1个输入点。
如图2所示, 如负载可在多处启动和停止, 可以将2个启动信号并联, 将2个停止信号串联, 分别送给可编程序控制器的2个输入点。与每1个启动信号和停止信号占用1个输入点的方法相比, 不仅节约了输入点, 还简化了梯形图电路。
1.3 利用软件减少输入点数
(1) 单按钮启、停控制程序。通常启、停控制 (如对某电动机的启、停控制) 均要设置2个控制按钮作为启动控制和停止控制。现介绍只用1个按钮, 通过软件编程, 实现启动与停止的控制。
如图3所示, X000作为启动、停止按钮的地址, 第1次按下时Y000有输出, 第2次按下时Y000无输出, 第3次按Y000又有输出。
(2) 利用2个按钮, 实现对4个输出的控制。图4中, 若输入按钮SB1、SB2对应地址为X000、X001, 当X000、X001的不同触点进行不同组合的连接时, 控制Y000、Y001、Y002及Y003共4个不同的输出。
2 输出点数的优化
2.1 矩阵输出
图5中采用8个输出组成4×4矩阵, 可接16个输出设备。要使某个负载接通, 只要控制它所在的行与列对应的输出继电器接通即可。如图中负载KMl得电, 必须控制Y000和Y004输出接通。因此, 在程序中要使某一负载工作均要使其对应的行与列输出继电器都要接通。这样用8个输出点就可控制16个不同控制要求的负载。
应该注意:当只有某一行对应的输出继电器接通, 各列对应的输出继电器才可任意接通;或者当只有某一列对应的输出继电器接通, 各行对应的输出继电器才可任意接通, 否则将会出现错误接通负载。因此, 采用矩阵输出时, 必须要将同一时间段接通的负载安排在同一行或同一列中, 否则无法控制。
2.2 分组输出
当2组负载不同时工作, 可通过外部转换开关或通过受PLC控制的电器触点进行切换, 这样PLC的每个输出点可以控制2个不同时工作的负载, 如图6所示, KM1与KM2、KM3与KM4这2个组不会同时接通, 可用外部转换开关SA进行切换。
2.3 并联输出
当2个通断状态完全相同的负载, 可并联后共用PLC的2个输出点。但要注意PLC输出点同时驱动多个负载时, 应考虑PLC点的驱动能力是否足够。
2.4 负载多功能化
1个负载实现多种用途。在传统的继电器电路中, 1个指示灯只指示1种状态, 而在PLC系统中, 利用PLC编程功能, 很容易实现用1个输出点控制指示灯的常亮和闪烁, 这样1个指示灯就可表示2种不同的信息, 从而节省了输出点数。
3 结论与展望
电能输入输出控制系统 篇5
线性系统建模方法虽然对于线性系统具有很好的效果。随着控制过程要求的不断提高, 相对于一个线性模型在当前工作点的局部近似, 非线性模型能更好地描述过程在整个运行过程的整体特性, 在实际应用中具有很好的效果。模块化非线性模型是一种非线性模块与线性子系统的串联型的模型, 由于其结构清晰, 并能描述常见的非线性系统, 所以得到了广泛地关注与应用[1,2]。
近年来, 对于模块化非线性Hammerstein型的辨识文献相对较多。Narendrad等[3,4]提出了迭代方法, 将参数化为线性模块参数和非线性模块参数两个集合, 计算一个参数集最优估计值时固定另一个, 两参数集估计轮换计算, 但两个参数集之间的链接矩阵是一个输入变量的函数矩阵, 由此导致迭代最小二乘法的协方差矩阵计算量大。Chang等[5]提出了过参数辨识方法, 是把非线性展开为一些基函数的和, 经参数化后得到一个过参数化模型, 然而得到的模型参数向量包含了原始的静态非线性模块与线性模块参数的乘积, 使得参数向量维数大大增加, 导致算法计算量相应增加。Pawlak[6]给出随机方法, 利用白噪声性质分离线性部分与非线性部分。Bai等[7,8]给出了分离最小二乘法、盲辨识和频域辨识法。
为此, 本文利用正交基辨识法对输入非线性模型 (Hammerstein-型) 进行建模, 其优点是避免了迭代算法以及参数向量维数增大所带来的计算量, 对于正交基函数的获取进行改进, 对输入输出数据做特殊处理, 仅利用利用输出信号恢复中间变量, 最终利用最小二乘法得到模型参数, 仿真结果表明了方法有效性。
1 输入型非线性系统建模
1.1 输入型非线性系统描述
Hammerstein模型是一种输入端具有非线性的串联型非线性系统模型图1所示, 被应用于许多工程问题中。考虑离散的Hammerstein型系统, 建模的目的是仅基于输入数据u输出数据y, 估计线性部分的传递函数G (z) 以及非线性函数f (u) , 其中间变量x是不可测量的, 预先设定线性部分的模型阶数为n。
输入端的非线性模块, 通常以泰勒展开多项式的形式进行描述, 即
其中r是非线性种多项式的个数, 线性子系统可以通过输出信号与中间变量的离散传递函数描述为
1.2 线性传递函数分母参数确定
首先对系统的输入输出信号进行特殊处理, 根据系统的特点消除中间变量, 利用最小二乘法估计出传递函数分母参数, 具体方法描述如下:
输入信号的采样间隔为T, 不在采样点上的数据设置为零, 对于输出使用间隔h=T/ (n+1) 来进行采样, 如图2、图3所示。
将式 (2) 的线性模型转换为时域表达式
根据式 (3) 和图2, 可以看出只有当t=k T=k (n+1) h时, x (t) 才为非零值, 而
因此, 当k=l (n+1) 时有
在此定义矩阵
将式 (6) 和 (7) 代入式 (5) 可以得到矩阵的表示形式
在计算分母参数时采用最小二乘法, 本文采用最小二乘估计的算法来计算, 构造以下矩阵
其中N为输出数据个数, 通过式 (9) , (10) , (11) 得到如下矩阵
θa利用最小二乘估计可以得到
(φ) +是矩阵 (φ) 的广义逆矩阵, 以此通过上式便求得线性传递函数的分母多项式的参数。
1.3 线性传递函数分子与非线性参数的确定
传统的正交基建模的方法, 对于正交基函数的获取是通过先验知识或者相关的经验, 本文在求得线性部分传递函数分母的基础上, 可以求得传递函数的极点值, 然后采用正交基辨识思想来利用极点构造标准正交基函数, 将线性子系统表示为基函数的形式, 结合非线性模块表达形式构造出关系矩阵, 最后利用奇异值分解的方法获得各个模块的参数, 从而减少了对于先验知识的依赖, 并具有更高的准确性, 具体描述如下所示:
参考图1, 对线性部分采用基函数的表达形式:
其中, p=n+1, Bl (z) 是线性部分的正交基函数。根据正交基系统辨识的方法在这里对于线性模块的基函数取做如下形式[9]
ξi是线性部分的极点, 可以通过已经求的分母构造多项式进行求解得到。将tk时刻的输入表示为uk, 将线性子系统与非线性模型相结合通过式 (2) 和 (14) 可以将tk时刻输出yk用如下的公式表示
观察上面的式子, 通过最小二乘法或其他算法进进行估计参数的时候得到的是bc的形式, 这也是所有的串联模块化非线性辨识的通病, 结果经过分离后得到的参数往往是[αc, α-1b]的形式, 其中α为一常数, 因为在分离两者时没有一个统一的标准, 即前面有可能多乘了一个常数, 后面少乘了个常数, 但是整体的效果是一样。这就要求有一个标准使得到的参数保持唯一性, 大多方法都是使分子参数的二范数为1, 这种参数的不唯一性对于整体系统的结果是不影响的。
构造矩阵
将式 (18) 和 (19) 代入式 (15) 得到
从 (20) 式利用最小二乘可以得到θ估计
利用式 (16) 的形式来构造如下矩阵
为了求b和c, 对式 (22) 的矩阵采用著名的奇异值分解的方法
2 系统仿真
假设线性部分离散传递函数为
输入非线性模型为
对于上述模型进行辨识, 输入采用的是[-1 1]上均匀分布的脉冲序列, 采样时间0.015s, 输出的数据时间间隔为0.005s, 数据的处理如图2和图3;
通过章节1.2得到线性部分传递函数的分母参数
通过线性部分的分母, 可以得到传递函数的两个极点, 根据式 (3-15) 构造得到两个正交基函数为
利用章节1.3中正交辨识建模的方法来获得线性传递函数的分子参数, 与输入非线性的模块的参数。
给定系统参数与建模后得到模型参数对比如下表:
虽然由于串联型系统建模的通病使得各个模块的擦参数在数值上有所不同, 但是整体效果是一样的, 参数间会保持一定的比例的关系, 建立模型的输出和实际输出结果如图4所示, 两者误差如图5所示。
从图4和图5可以看出对于输入非线性系统通过正交基辨识法建立的模型与实际系统输出十分吻合, 误差数量级很小, 说明模型能够较好的描述系统, 表明算法有效性。
3 结束语
本文研究了基于输入输出数据的模块化非线性模型, 对输入非线性 (Hammerstein-型) 模型利用盲辨识建模算法进行建模, 通过对输入输出数据进行不同间隔的采样, 仅利用测量的输出数据来计算构造中间变量, 并应用最小二乘估计各个模块的参数。并对传统的正交辨识算法中的正交基函数的的构造进行改进, 这种方法与传统方法相比减少经验和先验知识的依赖, 而且具有更高的准确性。最后通过仿真实例的验证, 表明算法有效性。
参考文献
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电能输入输出控制系统 篇6
模态分析是在对结构进行实际测试的基础上,采用实验与理论相结合的方法来处理工程结构的动力学问题。随着某装备减重和确保可靠性要求,必须对其进行模态分析。在确定单输入多输出方法的模态分析方法基础上,需要设计相应的测试系统。该系统要求结构上能够满足被分析的对象,即能在装备平台上施加相应的激励,可并行采集结构的振动加速度,同时实现数据的即时存储。本文根据这一要求,设计了相应的测试系统。该系统以PC机为主机进行操作,以ARM控制器为执行机构,对输出和采集过程进行控制,输出形式是激振力,输入信号是加速度。
1 单点输入多点输出模态参数测试
单点输入多点输出方法在实验时,激励点是固定的,且可以同时测试多个点的响应。该方法测试效率较高,广泛用于中型机构的实验模态分析。由于同时测量多个点,传感器的质量和要小,以减少附加质量对结构特性的影响。激励方法可以采用锤击法或激振器激励法。本文采用了激振器激励法。激振器激励方法较好,可以克服锤击法容易引起模态遗漏的问题。
该方法的系统原理结构如图1所示。
2 测试系统总统结构设计
根据系统测试要求,本文设计了模态参数测试系统。该测试系统由PC机、输出控制器、激振器、数据采集控制器、调理电路和多个振动采集传感器组成,如图2所示。
PC机作为该系统的主控计算机,用于向采集设备控制器发出控制命令(如开始、结束等),保存和分析数据,并产生激振器所需的波形数据。输出控制器接收波形信号,将波形数据转换成模拟信号发送给激振器。激振器根据波形信号产生相应的激振力作用于被测对象。振动传感器感受测试对象的振动,产生电荷信号,调理电路将传感器的电荷信号转换成电压信号,发送给数据采集控制器。数据采集控制器用于采集控制,可以接收PC机发出的命令,同时对采集过程进行控制[1]。
振动传感器要求测量试验响应的传感器除了体积小、重量轻,还必须具有低频灵敏度高的特点。同时,要求传感器有较好的线性度和相位特性,以便用两个传感器的信号相加或相减。目前,用于模态试验的传感器有加速度计和应变电桥两大类。本文采用压电式加速度传感器,型号为DH130,灵敏度为1.08 pC/m·s2,工作频率范围为0～104 Hz,横向灵敏度小于3%,重量为9 g,安装方式为磁座吸合。输出控制器采用USB总线输出卡,可以输出两路模拟信号。
3 激励信号的产生
激励信号的类型根据模态分析方法的不同而不同。该系统采用了随机子空间作为模态分析方法,该方法要求输入信号为白噪声信号,因此需要由PC机产生白噪声序列给输出控制器。
在PC机上,采用LabVIEW软件产生白噪声序列。其基本思想是由随机数产生函数产生(0,1)区间内的随机数,将随机数乘以一定系数后,使其符合输出控制器要求的范围,定时送往输出控制器。其程序结构如图3所示[2]。
程序执行产生的随机数序列送往输出控制器后,产生的信号如图4所示。
4 数据采集控制器
数据采集控制器以ARM控制器为核心,其外围电路包括USB总线控制器,数据采集控制电路,时钟电路,存储电路等[3,4,5,6]。
其基本结构如图5所示。在该控制电路中,ARM(Advanced RISC Machine)作为总控制器,接收上位PC机命令,向采样电路发出执行采样命令,向分频器写入数据,确定采样速率。当采样完毕后,发出停止采样命令,并将数据传送到PC机。该ARM芯片选用S3C44B0。USB总线控制器为MC34825,用于和上位PC机进行数据和指令传输。精密时钟电路是采样时间控制电路,其发出的时钟信号经可编程分频器(8254)分频后送往A/D转换电路作为启动下一次采样和向存储器写入已采样数据的信号[7]。
在采样启动/数据写入控制器中,包括采样允许/禁止控制电路,读写控制电路。允许/禁止控制电路由ARM控制器控制其使能,决定信号的通过与否。读写控制电路由加法器和控制逻辑组成,加法器输出作为Buffer的地址信号,当时钟信号来到,地址自动加1,并向Buffer发出写入数据命令。该电路结构原理如图6所示[8,9]。
5 应 用
采用本文设计的系统,对某装备结构进行了模态分析实验,获得了部分加速度数据,如图7所示。
经应用证明,该系统能够完成所要求的模态参数测试功能,能对被测结构施加任意激励,并能够并行采集数据,具有广泛的通用性,可以用于一般机械结构的参数测量。如果更换系统前端传感器,也可用于其他参量的并行测量。
但该系统由于受到总线传输速度的限制,其采集速率将限制在0～100 KSPS范围内。
参考文献
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电能输入输出控制系统 篇7
关键词：控制系统试验平台,柜体设计,元件布置
1 引言
网络控制技术是机车研发制造中技术含量高、难度大、分量重的关键技术, 也是机车制造企业的核心竞争力所在。目前, 国外如西门子、阿尔斯通、庞巴迪等处于机车控制领域领前地位的大公司, 都有自己的网络控制系统测试平台, 因此, 为在国内外市场中保持一定的竞争力, 开发先进的机车网络控制系统试验平台显得尤为重要。根据试验平台综合设计要求, 需要开发一套输入输出电器柜, 主要包括网络设备电器柜、模拟输出设备电器柜和模拟输入设备电器柜, 用以安装试验平台网络设备、外围模拟设备, 承担试验平台输入输出管理、网络配置、电源分配等功能。本文着重介绍了控制系统试验平台用输入输出电器柜的设计及施工过程。
2 研制过程
输入输出电器柜的开发主要包括了电器柜三维模型设计、各种电气设备的采购安装以及电器柜布线与调试。
2.1 结构设计
试验平台需要的三个电器柜是以标准机柜为参考模型运用三维软件CATIA进行联合设计的, 这样设计的电器柜既符合国际标准又具有自己的特色, 更充分满足了本次项目的设计要求。整体设计上, 三个电器柜尺寸均为600×600×2000mm, 柜顶均配有风扇加强散热, 柜下均安装滑轮方便搬运, 从外观上相互保持了一致性;其中网络设备电器柜和模拟输出设备电器柜采用了透明玻璃门, 方便观测指示灯状态, 模拟输入设备电器柜采用了钢板门, 便于开孔安装设备, 这又使得它们各自具有独特性。下面以网络设备电器柜为例具体介绍其设计要点。
网络设备电器柜主要用来安装网络模块, 由于网络设备采购周期长, 决定了网络构架后便要对其进行采购, 最终选择的Selectron公司网络设备, 主要包括主处理单元、输入输出模块、网关及数据线等附件。根据机车微机网络控制系统试验平台电气原理图及网络拓扑, 将网络模块分层安装在柜内, 这样既便于接线又益于散热, 保证了模块的正常使用。柜内最顶层安装了两个WTB-MVB网关GWM531-TF/EMD, 该网关相对其他网络设备较为特殊, 采用标准的3U机箱安装, 其它模块均采用35×15mm的导轨安装。第二层从左到右依次安装了1个CANopen总线连接器DDC 732-TG、2个数字输入扩展模块DIT 732-TW、3个数字输出扩展模块DOT 733-TR以及2个数字输入/输出扩展模块DDT 731-TW/1A, 本层设备模拟机车输入输出单元RIOM。第三层左半部分依次安装了1个主处理单元CPU 831-TG、1个数字输入扩展模块DIT 732-TW以及2个数字输出扩展模块DOT733-TR, 这些模块用于模拟机车主控单元MPU1, 右半部分依次安装了1个主处理单元CPU 831-TG、1个数字输入扩展模块DIT 732-TW以及1个数字输出扩展模块DOT 733-TR, 这些模块用于模拟机车主控单元MPU2。第四层安装了5个带有CAN接口的分布式控制器CPU 733-TG/EMD, 前两个用来模拟MVB-CANopen网关, 后三个用来模拟机车牵引控制单元TCU、辅助控制单元ACU以及制动控制单元BCU。第五、六层分别安装了5个电源模块PSM 731-TV, 用来给二至四层的网络设备供电, 以上各层均留有线槽以方便走线。最底层安装了4根端子排, 用以汇总柜内外连线。
2.2 设备采购、安装及布线
根据机车网络控制系统试验平台电气原理图明细表, 分批分步对电器柜所需设备进行采购;采购回来的设备根据三维设计图进行安装, 下一步便可进行布线;根据Promis-e电气软件进一步绘制了布线图, 并自动生成了布线表, 为设备布线提供了依据, 并且极大的提高了效率。
2.3 整体调试
在电器柜设备安装、布线完毕后, 对其进行整体调试, 主要分为三个方面:首先是线路检查试验, 利用万用表对电气线路进行了完整全面的校对, 确保线路不存在错接、短接、虚接等问题。其次是各电气设备功能验证, 线路检查完毕后上电对设备进行检查, 通过观测指示灯、开闭开关等方法验证外围模拟设备的功能是否符合电气原理图设计需要。最后是网络设备功能测试, 利用网络分析仪对网络线路品质、网络设备状态等进行了监测, 测试其是否满足组网要求。整体调试过程中发现了一些问题, 但经过整改后已使电器柜满足了设计要求, 达到了投入使用的条件。
3 结束语
输入输出电器柜是机车微机网络控制系统试验平台的硬件基础, 它们开发的成败对试验平台搭建周期、质量有着重大的影响, 尤其是网络设备电器柜。利用先进的三维设计软件CATIA以及优秀的电气控制设计软件Promis-e进行全面系统的设计, 使设备布置紧凑且规整, 布线简洁且明晰, 通过此次研制输入输出电器柜, 为搭建机车微机网络控制系统试验平台铺平了硬件道路。
参考文献
[1]史程伟.电气传动控制柜设计分析, 2002.
电能输入输出控制系统 篇8
1 主要定义定理说明
其中状态变量x∈Rn, 控制u∈Rm, ω是一个独立r的维维纳过程, f是连续可微, 并对于u满足局部一致Lipschitz条件, y表示输出变量。
定义1[1]:系统是随机输入到状态稳定的, 简称为SISS, 如果对于任意给定的ε>0, 存在一个KL函数β (⋅, ⋅) , 一个K函数γ使得
定义2[1]:一个函数V (x) 是SISS-Lyapunov函数, 如果对于系统 (1) 存在K∞函数α1, α2, α, χ使得下面两式成立:
引理1[1]:如果系统 (1) 存在一个SISS-Lyapunov函数, 那么此系统是随机输入到状态稳定的, 即SISS的。
定义3:系统 (1) 是SIOS的, 如果对于系统的一个输入输出算子F, 存在一个KL函数β, 一个K函数γ使得对于每一个时间对0≤T≤t下式成立:
2 主要结论
如果系统 (1) 是随机输入到状态稳定的, 那么此系统一定是随机输入输出稳定的。
证明:如果系统 (1) 是随机输入到状态稳定的, 则有定义
当t≥T时, 由uT的定义,
当初始值固定, 存在一个K函数γ1使得x (T) ≤γ1 (uT)
令KL函数β1 (s, t) =β0 (γ1 (s) , t) , 则上述几式可得到
由于y (t) =h (x (t) ) , h是K有界函数, 所以存在一个K函数χ使得h (⋅) ≤χ (⋅) 即
由K函数的性质α (a+b) ≤α (2a) +α (2b)
令β (s, t) =χ (2β1 (s, t) ) , γ (s) =χ (2γ0 (s) ) , 由此我们可知
结论证明完毕。
3 结语
讨论了随机非线性系统中的随机输入到状态稳定与随机输入输出稳定性之间的关系, 这种讨论是十分有用的, 此结果为以后讨论随机非线性系统中有关输出反馈稳定将会带来一定的作用, 也为输出反馈设计起到关键的作用。
参考文献
电能输入输出控制系统 篇9
磁耦合谐振无线电能传输系统(magnetically coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT)在实际工作中,负载和谐振参数会因为受到外界环境如温度、谐振线圈距离的影响而发生变化,系统工作频率发生随机漂移,导致模型参数存在不确定性。因此,希望设计一种控制器,使控制系统在实际应用中具有一定的鲁棒性[1,2,3,4,5]。
在提高系统的鲁棒性方面,以往的bang-bang控制、PID控制、滑模变结构控制这一类单目标控制方法[6,7,8,9]虽然易于实现且具有一定的鲁棒性,但其控制精度和对负载变化的适应能力较差,且均未考虑系统可能存在的不确定因素及外部扰动,当实际系统与原来的标称系统出现偏差时,控制器的精度及性能会变差,控制系统将无法达到较理想的控制效果。
本文首先利用广义状态空间平均(generalized state space averaging,GSSA) 建模法对磁耦合谐振无线电能传输系统进行建模,利用线性分式变换分离GSSA模型的确定部分与不确定部分。基于H∞控制理论,应用matlab鲁棒控制工具箱设计H∞控制器,并利用结构奇异值理论分析闭环系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。
2 系统GSSA建模
2.1 GSSA建模方法
基于频域分解的GSSA建模法的基本思想是用傅里叶级数的形式来描述时域周期信号,用共轭的低阶谐波分量来近似原始信号,并将非线性环节近似线性化处理,然后通过信号还原得到时域原始信号的包络及其近似解[10]。
时域连续周期性信号x(t)可以分解成Fourier级数的形式。
式(1)中,n表示第n次谐波的分量,ω0=2π/T是x(t)基波的角频率,<x>k(t)为x(t)的k阶Fourier级数的系数,即为n次谐波分量的幅度值,傅里叶级数有共轭对称性、微分特性、卷积特性、线性特性4个重要性质,不再赘述。
2.2 系统建模
磁耦合谐振无线电能传输系统的电路拓扑如图1所示。
图1中左半部分是电能的发射端,包含工作在ZCS模式下的高频逆变环节和LpCp串联谐振环节;副边部分作为能量拾取端,包括串联谐振、整流及滤波三个环节。为了有效地传输电能,发射线圈和接收线圈的自谐振频率设置为同一频率,即为系统的谐振频率。
由电路拓扑得到系统时域非线性微分方程,其中,状态变量为[ip,is,VCs,VCp,VCf]T。
MCR-WPT系统工作过程中,由于逆变器工作在ZCS模式,保证各个储能元件上的能量呈正弦规律变化,因此,对时域微分方程做Fourier级数分解时,交流信号只考虑基波。
分解后得到系统的频域线性微分方程,其中,以电路变量各傅里叶系数的实、虚部依次作为广义状态变量,即
基于频域线性微分方程,得到以式(2)作为状态变量的广义状态空间描述(GSSA模型)如下。
其中,u∈R1×1作为控制输入即为MCR-WPT系统的直流输入电压Vdc,A∈R9×9和B∈R1×9分别为系统矩阵和输入矩阵,且
3 参数摄动下的系统不确定性模型
在实际工作中,负载RL和工作频率ω具有不确定性,可以用以下式子描述。
ω0和RL0分别表示ω和RL的标称值,pω,pr和δω,δr分别代表ω和RL的可能的(相对)摄动变化范围。令pω=0.2,pr=0.4,以及-1≤δω,δr≤1,则表示ω在标称值ω軍的±20%的范围内变化,RL在标称值RL0的±40%的范围内变化。
采用线性分式变换,分离RL和ω的确定与不确定部分,表示为:
从而分离GSSA模型的标称部分和不确定部分,得到MCR-WPT系统的不确定性模型,状态方程表示为:
式(8)用一个含摄动反馈的线性动力学系统G=Fu(Gmds,Δ)表示,如图2所示。
式(8)中,x∈R9×1为状态变量,u∈R1×1为控制输入,即MCR-WPT系统的直流输入电压值Vdc,y∈R1×1为测量输出(负载输出电压VCf),Δ为一个只含 δω和δr的不确定对角阵即
p、w∈R9×1分别为摄动块Δ的输入和输出
Gmds是广义标称模型,
式(8)中各矩阵如下:
在matlab里创建系统矩阵Gmds,保存为变量Gmds。Gmds=pck(A0,[B1,B2],[C1,C2],[D11D12;D21D22]);
4 H∞控制器设计
4.1 标准H∞控制问题描述
如图3所示为标准H∞控制问题。
其中z为被控输出信号, y为测量信号, w为外部输入信号, u为控制信号。
标准H∞控制问题就是求一正则控制器K(s),满足
1)使闭环系统内稳定;
2)使w到z的传递函数的H∞范数满足。
式(12)表示最优H∞控制问题。式(13)则表示H∞次优控制问题。
4.2 系统连接
MCR-WPT闭环系统框图如图4所示。
设计H∞控制器之前,首先基于matlab创建系统的开环系统结构。图5所示为系统的开环结构图。
图5中,Wp是一个低通滤波函数,代表干扰的频谱特性,Wu描述中低频参数的频率特性,可以选择为一常数并进行适当调整,取
不确定块Δ的输入变量w和输出变量p都包含9个元素;控制量u、外加干扰d、被调输出zp、zu和e只有一个元素。
sysic指令用来创建开环系统结构,保存为变量sys_ic,系统参数如表1所示。
变量sys_ic包含11个输入和12个输出,如图6所示。
转换为H∞标准控制问题,结构框图如图7所示。
利用sel指令从变量sys_ic中提取传递函数矩阵P(增广对象),保存为变量hin_ic。
hin_ic= sel(sys_ic,10:12,10:11)
H∞控制下的闭环系统的线性分式变换形式如图8所示。
4.3 H∞次优控制器设计
如图8所示,FL(P,K)是标称闭环系统从干扰(变量d)到输出z=[zp,zu]T的传递函数。求一稳定的控制器K,该控制器能使FL(P,K)的H∞范数小于一给定的性能参数γ。
‖FL(P,K)‖∞< γ(γ>0)
基于给定的开环系统,利用指令hinfsyn计算H∞次优控制器,hinfsyn的语法和输入、输出参数如表2、表3所示。[k,clp]= hinfsyn(p,nmeas,ncon,glow,ghigh,tol)。
基于以上分析,通过以下程序求得H∞次优控制器。
nmeas = 1;
ncon = 1;
gmin = 1;
gmax = 10;
tol = 0.001;
hin_ic = sel(sys_ic,10:12,10:11);
[k,clp]= hinfsyn(hin_ic,nmeas,ncon,gmin,gmax,tol)
5 基于结构奇异值(μ方法)的闭环系统性能分析
5.1 标称闭环系统性能分析
如图9所示为标称系统的闭环结构,此时系统的不确定部分为考虑在内。
图9中,其标称性能指标可以采用从外部扰动输入d到被调输出z=[zp, zu]T之间传递函数矩阵Tdz(s)的H∞范数来描述,即:
当式(15)成立时,则表示H∞控制器能有效地把外部干扰的影响抑制到可允许的范围内,系统内部稳定且满足预设标称性能。图10所示是闭环系统从外部干扰d到被调输出z的响应曲线。
如图10所示,在H∞控制作用下,闭环系统在频率[10-2106]范围内响应的值均小于1。表明该控制系统不仅是内部稳定的,而且满足了预设的标称性能指标。
5.2 鲁棒稳定性分析
将H∞控制系统转换为标准的M-Δ结构。
图11中,M为闭环系统的广义标称对象,包含鲁棒控制器K,标称对象Gmds及性能加权函数。
若传递函数矩阵M(s)是稳定的、实有理的,且有np+nd个输入和nw+nz个输出(np=9 nd=1 nw=9 nz=2),那么M(s)可以表示成以下的子矩阵分块形式:
M11有np个输入和nw个输出,摄动块Δ∈Cnw×np对应子矩阵M11的不确定性传递函数。稳定性定理可以等价为:
在H∞控制器的作用下,μΔ(M11) 在频率范围[10-2,106]的响应曲线如图12所示。
如图12所示,在整个[10-2,106]频率范围内,子矩阵块M11关于摄动块Δ的结构奇异值μΔ(M11)都小于1,表明在参数摄动下,闭环系统具有鲁棒稳定性。且μΔ(M11)的峰值表示最大摄动范围。
5.3 鲁棒性能分析
在不确定矩阵Δ∈Cnw×np中加入性能不确定全块Δp∈Cnd×nz组成一个增广摄动矩阵Δ∈C(nw+nd)×(np+nz),如图13所示。
从扰动输入d到被调输出z=[zp, zu]T的传递函数的H∞范数
当且仅当
成立。
根据式(18),可知闭环系统是否达到了预设的鲁棒性能指标。
由图14可知,在[10-2,106]频率范围内,μΔ0(M)的上、下界的频率响应值都比1小,即验证了H∞控制系统的鲁棒性能。
6 参数变化下闭环摄动系统的输出响应
鲁棒控制系统对属于这个集合的所有摄动对象均应保证正常工作的属性。本节通过测试摄动闭环系统,来验证H∞控制对闭环摄动系统的鲁棒性。
标称值ω0=25k Hz,RL0=50Ω,令pω=0.2,pr=0.4,以及-1≤δω,δr≤1。这里δω,δr分别取+1,-1。得到Δ的3种不同矩阵形式,对应参数变化下的3种的闭环摄动对象,验证H∞控制器的控制效果。图15和图16分别是参数变化下3个摄动闭环系统在给定参考输入和干扰作用下的时域响应曲线。
基于上述分析,针对摄动范围内的所有可能的控制对象,当给定参考输入和干扰输入时,摄动范围内所有闭环摄动系统暂态响应曲线如图17和图18所示。
由图17可知,在给定输入的情况下,超调量都不大于29%,动态调节时间在5s左右。这表明在H∞控制作用下,实现了闭环摄动系统的无静差鲁棒跟踪控制。
由图18可知,闭环摄动系统在受到干扰输入的影响下,系统的输出在经过一定调节时间后都趋于0并最终稳定在0,这表明干扰对闭环摄动系统的输出几乎无影响。
总体说来,在H∞控制作用下,针对有界摄动范围内的所有可能的控制对象,闭环系统不仅是鲁棒稳定的,而且具有一定的鲁棒性能。
7 结束语
本文利用基于频域分解的广义状态空间平均法对磁耦合谐振无线电能传输系统进行建模,基于H∞控制理论,采用MATLAB鲁棒控制工具箱设计了H∞控制器,综合考虑参数不确定性和外部扰动因素影响下的闭环摄动系统,在H∞控制作用下,实现了闭环系统的输出鲁棒控制。
摘要：磁耦合谐振无线电能传输系统的负载和谐振参数会因为受到外界环境的影响而发生变化,系统工作频率发生随机漂移,导致模型参数存在不确定性。针对参数不确定下的输出鲁棒控制问题,基于H∞控制理论,应用matlab鲁棒控制工具箱设计H∞控制器,并利用结构奇异值法分析了闭环系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。结果表明,在H∞控制器的作用下,实现了闭环摄动系统的输出鲁棒控制。并为这种高阶非线性不确定闭环摄动系统提供一种通用的控制器设计方法。
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