牽引電機控制方法及裝置與流程
本發明涉及高速動車組感應電機領域，尤其涉及一種牽引電機控制方法及裝置。
背景技術：
高速動車組通常采用感應電機作為牽引電機，因為感應電機具有轉速高、轉動慣量小，機械結構堅固耐用、牽引特性良好等優點，電機啟動轉矩和電流較大，加速起始階段電機處于過勵磁狀態，充分利用電機設計所允許的磁飽和范圍和電流的短時過載能力，來獲得較大的加速度，從而使得車輛在較短的時間內達到給定的速度。
現有技術一般是對牽引電機采用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative,pid)控制，pid控制在實際應用中是最廣泛最成熟的技術，目前為止，工業過程當中使用的控制方法有95％以上都是pid控制方法。簡單說來，pid控制各校正環節的作用如下：
比例環節：成比例地反映控制對象的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例系數越大，控制作用越強，控制對象的動態特性也越好，動態性能主要表現為起動快，對階躍設定跟隨得快。
積分環節：主要用于消除靜差，提高控制對象的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，積分時間常數越大，積分作用越弱，反之則越強。
微分環節：反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在控制對象中引入一個有效的早期修正信號，從而加快控制對象的動作速度，減少調節時間，并且有助于減小超調，克服振蕩，從而提高控制對象穩定性。
pid控制方法的校正環節復雜、計算負擔重，且pid控制依賴于被控對象的模型，在實際的工作環境中，由于機械磨損和電器元件的老化，會導致被控對象的模型發生變化，從而導致pid控制的魯棒性差。
技術實現要素：
本發明提供一種牽引電機控制方法及裝置，用以解決現有技術的控制方法復雜、計算負擔重，且由于控制方法依賴于被控對象模型引起的控制方法魯棒性差的問題。
本發明的第一個方面是提供一種牽引電機控制方法，包括：
對期望輸出的標準信號和當前的反饋信號進行求差，并將求差獲得的信號輸出至改進型無模型自適應(improvemodelfreeadaptivecontrol，imfac)控制器進行計算處理；
將imfac控制器處理后獲得的控制信號輸出至被控對象，以使所述被控對象在所述控制信號的驅動下運行；
將所述被控對象運行時產生的輸出信號輸出給超前環節進行補償，并將所述補償后的信號作為當前的反饋信號，返回執行所述將期望輸出的標準信號和當前的反饋信號進行求差的步驟。
本發明的第二個方面是提供一種牽引電機控制裝置，包括：運算模塊、imfac控制器、被控對象和超前環節；
所述運算模塊的輸出端和所述imfac控制器的輸入端連接，所述imfac控制器的輸出端和所述被控對象的輸入端連接，所述被控對象的輸出端與所述超前環節的輸入端連接，所述超前環節的輸出端與所述運算模塊的輸入端連接；
所述運算模塊，用于對期望輸出的標準信號和當前的反饋信號進行求差，并將求差獲得的信號輸出給所述imfac控制器；
所述imfac控制器，用于對求差獲得的信號進行計算處理，并將計算處理后獲得的控制信號輸出給所述被控對象，以使所述被控對象在所述控制信號的驅動下運行；
所述被控對象，用于將所述被控對象自身運行時產生的輸出信號輸出給所述超前環節進行補償；
所述超前環節，用于對所述被控對象輸出的信號進行補償，并將補償后的信號作為當前的反饋信號，輸出給所述運算模塊，以使所述運算模塊對所述標準信號和當前的反饋信號進行求差。
本發明提供的牽引電機控制方法及裝置，通過將期望輸出的標準信號和當前的反饋信號的求差信號輸出至imfac控制器進行處理獲得控制信號，并將控制信號輸出至被控對象以使其運行；然后將被控對象運行時產生的輸出信號經超前環節補償后作為當前的反饋信號。本方案僅利用被控對象期望輸出的標準信號和被控對象運行時產生的輸出信號進行控制器設計，不依賴被控對象的動態模型參數，調試簡單、易于實現、響應速度快且魯棒性好。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的牽引電機控制方法的流程示意圖；
圖2為本發明實施例提供的牽引電機控制裝置的結構示意圖；
圖3為本發明實施例提供的牽引電機控制裝置的電路原理示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
圖1為本發明實施例提供的牽引電機控制方法的流程示意圖，如圖1所示，所述方法包括如下步驟：
11、對期望輸出的標準信號和當前的反饋信號進行求差，并將求差獲得的信號輸出至imfac控制器進行計算處理；
具體的，對某一系統的一致有界的期望輸出的標準信號，存在一致有界的可行控制輸入信號，使得系統在此控制輸入信號的驅動下其輸出等于系統的期望輸出。
12、將imfac控制器處理后獲得的控制信號輸出至被控對象，以使所述被控對象在所述控制信號的驅動下運行；
具體的，上述被控對象可以為非線性大延時對象，被控對象的傳遞函數為gp(s)e-τs，其中τ是非線性大延時對象的滯后時間。舉例來說，被控對象可以為牽引電機。
13、將所述被控對象運行時產生的輸出信號輸出給超前環節進行補償，并將所述補償后的信號作為當前的反饋信號，返回執行11中所述將期望輸出的標準信號和當前的反饋信號進行求差的步驟。
以實際應用場景舉例來說，上述imfac控制器的算法如下：
則：
其中，
其中，u(k)∈rl、y(k)∈rl分別表示k時刻非線性大延時系統的輸入和輸出；τ是非線性大延時系統滯后時間，可以用辨識的方法測得；l是控制輸入線性化長度；其中，y(k)滿足：
y(k+1)＝f(y(k),…,y(k-ny),u(k-τ),…,u(k-τ-nu))(9)
其中，ny、nu是系統階數；ly、lu是非線性大延時系統的偽階數，取值為整數，且0≤ly≤ny，1≤lu≤nu；η是步長因子，η∈(0,2]，加入η是為了使控制算法設計具有更大的靈活性；μ>0，是第一權重因子；ε是一個充分小的正數；ρi∈(0,1]，i＝1,2,…,ly+lu，λ>0是第二權重因子；y*(k)表示非線性大延時系統一致有界的期望輸出的標準信號；y′(k)是輸出y(k)的微分。
本實施例提供的牽引電機控制方法，通過將期望輸出的標準信號和當前的反饋信號的求差信號輸出至imfac控制器進行處理獲得控制信號，并將控制信號輸出至被控對象以使其運行；然后將被控對象運行時產生的輸出信號經超前環節補償后作為當前的反饋信號。本方案僅利用被控對象期望輸出的標準信號和被控對象運行時產生的輸出信號進行控制器設計，不依賴被控對象的動態模型參數，調試簡單、易于實現、響應速度快且魯棒性好。
圖2為本發明實施例提供的牽引電機控制裝置的結構示意圖，如圖2所示，牽引電機控制裝置包括：
運算模塊21、imfac控制器22、被控對象23和超前環節24；
運算模塊21的輸出端和imfac控制器22的輸入端連接，imfac控制器22的輸出端和被控對象23的輸入端連接，被控對象23的輸出端與超前環節24的輸入端連接，超前環節24的輸出端與運算模塊21的輸入端連接；
運算模塊21，用于對期望輸出的標準信號和當前的反饋信號進行求差，并將求差獲得的信號輸出給imfac控制器22；
imfac控制器22，用于對求差獲得的信號進行計算處理，并將計算處理后獲得的控制信號輸出給被控對象23，以使被控對象23在所述控制信號的驅動下運行；
被控對象23，用于將被控對象23自身運行時產生的輸出信號輸出給超前環節24進行補償；
超前環節24，用于對被控對象23輸出的信號進行補償，并將補償后的信號作為當前的反饋信號，輸出給運算模塊21，以使運算模塊21對所述標準信號和當前的反饋信號進行求差。
具體的，上述被控對象23可以為非線性大延時對象，被控對象23的傳遞函數為gp(s)e-τs，其中τ是非線性大延時對象的滯后時間。舉例來說，被控對象23可以為牽引電機。
本實施例提供的牽引電機控制裝置，通過將期望輸出的標準信號和當前的反饋信號的求差信號輸出至imfac控制器進行處理獲得控制信號，并將控制信號輸出至被控對象以使其運行；然后將被控對象運行時產生的輸出信號經超前環節補償后作為當前的反饋信號。本方案僅利用被控對象期望輸出的標準信號和被控對象運行時產生的輸出信號進行控制器設計，不依賴被控對象的動態模型參數，調試簡單、易于實現、響應速度快且魯棒性好。
圖3為本發明實施例提供的牽引電機控制裝置的電路原理示意圖，根據圖2對應的實施例中所述的裝置，如圖3所示，運算模塊對期望輸出的標準信號y*和當前的反饋信號x進行求差，獲得第一輸出信號δy，并將所述第一輸出信號輸出給imfac控制器進行計算處理；將imfac控制器處理后獲得的控制信號u(k)輸出至被控對象，以使所述被控對象在所述控制信號u(k)的驅動下運行；將所述被控對象運行時產生的輸出信號y(k)輸出給超前環節進行補償，并將所述補償后的信號作為當前的反饋信號x，反饋至運算模塊,以使運算模塊對標準信號y*和當前的反饋信號x進行求差，輸出當前的第一輸出信號δy，實現信號的循環和反饋。
本實施例提供的牽引電機控制裝置，通過在imfac控制器中引入期望輸出的標準信號與超前環節補償后的被控對象的輸出信號的差值進行計算處理，獲得被控對象的輸入信號，不依賴被控對象的動態模型參數，調試簡單、易于實現、響應速度快且魯棒性好。
所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的裝置的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
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