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基于自抗扰的无刷直流电机控制方法的研究及仿真的开题报告一、研究背景与意义无刷直流电机是一种非常常见的电动机种类，其具有转速控制范围大、速度调节响应快等优点，在很多领域得到应用。
目前，对于无刷直流电机的控制研究主要有传统PID控制、模糊控制等，但这些方法都存在一定的局限性，如PID控制难以针对非线性系统进行稳定性分析和控制；模糊控制在控制精度和系统性能上都存在一定的问题。
近些年来，自抗扰控制（SAC）逐渐被应用于电机控制领域。
自抗扰控制是一种基于扰动观测法的控制方法，在控制精度、鲁棒性等方面都具有较好的优势。
因此，将自抗扰控制方法应用于无刷直流电机的控制研究中，有着较大的研究价值和实际应用意义。
二、研究内容与方法本研究的目的是基于自抗扰控制原理，研究无刷直流电机的控制方法，包括控制器设计、系统建模和仿真实验，具体内容包括：1. 无刷直流电机系统建模：建立无刷直流电机的动态数学模型，分析系统的特点和影响因素。
2. 自抗扰控制器设计：根据无刷直流电机的控制需求和系统特点，设计自抗扰控制器，并进行理论分析。
3. 仿真实验验证：在MATLAB/Simulink环境下，进行无刷直流电机控制系统的仿真实验，分析自抗扰控制方法的控制性能和稳定性，并与传统PID控制方法进行比较。
三、预期成果与意义本研究的预期成果包括：1. 建立无刷直流电机的动态数学模型，并掌握其控制特性和影响因素；2. 设计自抗扰控制器，能够实现对无刷直流电机转速的快速、准确控制；3. 在MATLAB/Simulink环境下进行仿真实验，验证自抗扰控制方法的有效性和优越性。
本研究的意义在于：探索无刷直流电机控制的新方法，提高系统的控制精度和鲁棒性，具有一定的理论研究和应用推广价值。
无刷直流电机智能控制器的研究与仿真实现的开题报告
一、选题背景和意义
随着现代工业和家用电器的发展，无刷直流电机已经广泛应用于各个领域。
然而，由于其具有高速、高精度等特点，使得控制系统的设计变得相当困难，需要大量的研
究和验证。
本课题将以研究无刷直流电机智能控制器在工业控制系统的应用为目标，通过研究和仿真软件的实现，探究无刷直流电机智能控制器的原理和应用，为电机控制系统
的优化提供理论依据和实践基础。
二、研究内容和方法
本课题将研究基于无刷直流电机的智能控制器，主要包括以下内容：
1. 无刷直流电机控制技术研究：研究无刷直流电机的结构和工作原理，分析电机控制技术的分类、原理和特点。
2. 智能控制器设计与实现：掌握现代控制理论和控制方法，设计无刷直流电机智能控制器，并通过仿真软件进行实现。
3. 控制器性能测试与优化：对设计好的无刷直流电机智能控制器进行性能测试，采用模拟信号源和实际控制系统进行比较和优化。
研究方法主要采用文献资料收集、理论分析和仿真软件实现等方法，同时结合实际情况进行性能测试和优化。
三、预期成果和意义
通过本课题的研究，预期达到以下成果：
1. 深入了解无刷直流电机的结构和工作原理，掌握控制技术和智能控制器的设计原理。
2. 实现无刷直流电机智能控制器的仿真软件，并测试其性能指标。
3. 验证无刷直流电机智能控制器在现代工业控制系统中的应用效果，提高电机运行效率和控制精度。
本课题的研究成果将为无刷直流电机控制系统的应用提供新思路和技术支持，具有重要的理论和实际意义。
《基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，无刷直流电机因其高效、低噪音、长寿命等优点，在各个领域得到了广泛应用。
然而，为了实现无刷直流电机的精确控制，需要设计一个高效、稳定的控制系统。
本文将详细介绍基于DSP（数字信号处理器）的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究。
二、无刷直流电机基本原理无刷直流电机（BLDCM）是一种采用电子换向器替代机械换向器的直流电机。
其工作原理是通过电子换向器控制电机内部的磁场，从而实现电机的转动。
无刷直流电机具有高效率、高转矩、低噪音等优点，广泛应用于工业、汽车、家电等领域。
三、DSP控制系统设计1. 系统架构设计基于DSP的无刷直流电机控制系统主要由DSP控制器、功率驱动电路、电机本体等部分组成。
DSP控制器负责接收和处理传感器信号，输出控制信号，实现电机的精确控制。
功率驱动电路负责将DSP控制器的输出信号转换为电机的驱动信号。
2. DSP控制器设计DSP控制器是无刷直流电机控制系统的核心部分，其性能直接影响到电机的控制效果。
DSP控制器应具备高速运算能力、高精度控制能力、强大的抗干扰能力等特点。
在硬件设计上，应选择具有高速处理器、大容量内存、丰富接口的DSP芯片。
在软件设计上，应采用高效的算法和编程语言，实现电机的精确控制。
3. 功率驱动电路设计功率驱动电路负责将DSP控制器的输出信号转换为电机的驱动信号。
其设计应考虑电机的额定电压、额定电流、功率等参数，以及电路的抗干扰能力、散热性能等因素。
常用的功率驱动电路有H桥驱动电路、全桥驱动电路等。
四、仿真研究为了验证基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和性能，我们进行了仿真研究。
仿真软件采用MATLAB/Simulink，仿真模型包括DSP控制器模型、功率驱动电路模型、电机本体模型等。
通过仿真研究，我们可以观察到电机的运行状态、控制效果、抗干扰能力等性能指标。
五、仿真结果分析1. 电机运行状态分析在仿真过程中，我们观察到电机能够平稳启动、加速、减速和停止，表明控制系统具有良好的动态性能。
书目1 前言............................................................................................................... - 0 -1.1 无刷直流电机的发展......................................................................... - 0 -1.2 无刷直流电机的优越性..................................................................... - 0 -1.3 无刷直流电机的应用......................................................................... - 1 -1.4 无刷直流电机调速系统的探讨现状和将来发展............................. - 1 -2 无刷直流电机的原理................................................................................... -3 -2.1 三相无刷直流电动机的基本组成..................................................... - 3 -2.2 无刷直流电机的基本工作过程......................................................... - 5 -2.3 无刷直流电动机本体......................................................................... - 6 -2.3.1 电动机定子............................................................................... - 6 -2.3.2 电动机转子............................................................................... - 7 -2.3.3 有关电机本体设计的问题....................................................... - 7 -3 转子位置检测............................................................................................... - 8 -3.1 位置传感器检测法............................................................................. - 8 -3.2 无位置传感器检测法....................................................................... - 10 -4 系统方案设计............................................................................................. - 12 -4.1 系统设计要求................................................................................... - 12 -4.1.1 系统总体框架......................................................................... - 12 -4.2 主电路供电方案选择....................................................................... - 13 -4.3 无刷直流电机电子换相器............................................................... - 14 -4.3.1 三相半控电路......................................................................... - 15 -4.3.2 三相全控电路......................................................................... - 15 -4.4 无刷直流电机的基本方程............................................................... - 16 -4.5 逆变电路的选择............................................................................... - 19 -4.6 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统................................... - 20 -4.6.1 MC33035无刷直流电动机限制芯片...................................... - 20 -4.6.2 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统设计 ................ - 21 -5 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真................................................... - 23 -5.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型............................................... - 24 -5.2 换相逻辑限制模块........................................................................... - 26 -5.3 PWM调制技术.................................................................................... - 31 -5.3.1 等脉宽PWM法......................................................................... - 33 -5.3.2 SPWM(Sinusoidal PWM)法..................................................... - 33 -5.4 限制器和限制电平转换及PWM发生环节设计............................... - 33 -5.5 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析................................... - 35 -5.5.1 起动，阶跃负载仿真............................................................. - 35 -5.5.2 可逆调速仿真......................................................................... - 37 -6 总结和体会................................................................................................. - 39 -无刷直流电机调速限制系统设计1前言直流无刷电机，无机械刷和换向器的直流电机，也被称为无换向器直流电动机。
永磁同步电机自抗扰控制技术探究摘要：永磁同步电机(PMSM)拥有高效、高精度、高动态响应等优势，在现代工业中得到越来越多的应用。
然而，PMSM的动态响应受到外部干扰和模型误差等因素的影响，导致控制效果降低。
自抗扰控制技术(ADRC)是一种有效的控制方法，其具有较强的鲁棒性和适应性，能够有效地降低外部干扰和模型误差对系统的影响，提高PMSM的控制性能。
本文基于ADRC理论，探究了PMSM的自抗扰控制技术，建立了PMSM的数学模型，并进行了控制器的设计和仿真试验。
结果表明，ADRC技术对于PMSM的控制效果具有良好的鲁棒性和适应性，在外部干扰和模型误差的状况下，可以有效地提高PMSM的控制精度和动态性能。
关键词：永磁同步电机；自抗扰控制；鲁棒性；适应性；动态性能。
正文：一、绪论随着现代工业的不息进步，永磁同步电机(PMSM)已经成为了各种机电设备中的重要部件，在机器人、电动车、风力发电机、电子电器等领域得到广泛的应用。
PMSM拥有高效、高精度、高动态响应等优势，是替代传统感应电机的重要选择。
然而，PMSM的动态响应受到外部干扰和模型误差等因素的影响，导致控制效果降低。
因此，如何提高PMSM的控制精度和动态性能，是当前探究的热点之一。
自抗扰控制技术(ADRC)是一种有效的控制方法，它不依靠于精确的系统模型和干扰预估，能够有效地降低外部干扰和模型误差对系统的影响，提高系统的稳定性和控制性能。
因此，ADRC 技术在PMSM的控制中也得到了广泛的应用。
本文基于ADRC理论，探究了PMSM的自抗扰控制技术，建立了PMSM的数学模型，并进行了控制器的设计和仿真试验。
二、 PMSM的数学模型PMSM是一种典型的无刷直流电机，其数学模型可以表示为：$$u=\frac{d}{dt}\psi+Ri+e$$$$T=\frac{3}{2}p(\psi i_m-L_d i_d i_m)-J\frac{d\omega}{dt}$$其中，$u$为输入电压，$\psi$为磁链，$R$为电阻，$i$为电流，$e$为反电势，$T$为转矩，$p$为极对数，$i_m$为磁场电流，$L_d$为轴向电感，$L_q$为切向电感，$J$为转动惯量，$\omega$为转速。
自抗扰控制器（ADRC）仿真软件第11卷第5期t999年10月{,文章编号:1004—731X【199****4834系统仿真JOURNAL0FSYSTEMSIMULA T10N自抗扰控制器(ADRC)仿真软件,f,(中国科学院系统科学研究所.北京100080)弋Vn【1lNo5Oclober,l999摘要:介绍新型非线性控制器白抗扰控制器(ADRC)的基本原理.其数字仿真软件总体设计及宴现方法谊仿真软件基于WIN95平台.具有友好的用户界面,可随时动态修改控制对象,控制器参数,并具有存储记录琦能.仿真结果静态和动态的囤开j方式显示.该软件有助于使用户了解,ad3RC的强土功能.并为控制器设计和验证提供定量他的依据关键词:白抗扰控制器(ADRC);数字仿真中围分类每_文献标识■软件平Auto-Disturbance-Rejection-ControIler(ADRC)SimulatorPIAOJun,HANJing-qing(InstituteofSyst~sScience,ChineseAcademyofSciences.Beijing10(1080.Chi~) Abstract:Thearticleintroducestheprincipleofane~,vtypenonlinearcontrolIe~-ADRC. itssimulator'sdesignandingr[ementati0n.ThesimulatorisbasedonWIN95andhastnendIyinterface.Theusercanmoditypl ant.parametersotcomroller dynamicallyTheexperimentcanbestoredforthetuturousing,andthemsuhcanbeexpressedb ygraphinstzticanddynamicwayBythea_ercfinrealizethepowerofADRC.designthecontrolleri n.ad3RCmethod.andveritycontrollerKeywords:ADRC;digita]simulation;sottware1引言实现,最后通过具体例子对该软件进行椅骑.自抗扰控制器(ADRC)是中国科学院系统科学研究所韩京清研究员经过1O多年努力发明的新一代非线性控制器,其基本思想和方法_l与传统控制器相比有很大突破,其特点是:1被控对象内涵广泛.卓商人一输出描述对象,形式没有特定要求.可以是非线性,也可包括随机涨落.2.利用跟踪微分器(TD)安排过渡过程.利用TD.对参考输入安排过菠过程并提取其微分信号.3利用扩张状态观测器对对象估计.不仅能得到各个状态变量的估计,还能得到对象方程右端估计.4控制量组合方式灵活:可以是线性.也可以是非线性.目前.随着ADRC在不同实际领域的应用,其影啊日益广泛,其教率逐渐得到各领域专家的认同ADRC仿真软件是ADRC的数字仿真工具.一方面使用户了解掌握,~J3RC功能.另一方面可为控制器设计提供定虽化依据和验证.文章首先介绍了ADRC原理,然后给出了总体设计及其收稿日期:1999—06.312ADRC基本原理尊图l二阶系统的ADRC框图2.1ADRC框图(以二阶系统为例,见图1)2.2ADRC各组成部分说明(以二阶系统为例2.2.1被控对象被控对象的疗程384?系统仿真1999年l0月^(.….,l(,?,扰动补偿;——误差增益;卢2——误差微分增益. '"3ADRC仿真软件总体设计式中,,bo——系统已知部分{^t-——系统未知部分;3. 1仿真软件实现的功能(t)——未知扰动.2.2.2跟踪微分器ITD}【]㈨跟踪输入信号并给出其微分信号的一输入两输出的离散动态环节:1ll(t+1)=￡l1(t)+ht2(t)l￡l2(t+1)=2l2()+h.t2(l】(t),￡L2(t),(￡),r,h)(2)式中,(t)——输入信号;2ll(￡)——跟踪输入信号;z12 (t)一l(t)的微分信号,从而近似(￡)的嗽分;^——积分步长;r——决定跟踪快慢的参数;r越大.l1()跟踪越好,从而()越近似(￡)的微分;向2——离散系统时间晟优控制综合函数.2.2.3扩张状态观谰器IESO以对象的输出Y(2)和输入"(￡)作为其输入,估计出对象的状态变量及对象不确定部分=2l(f)+h(22一¨1fal(,LL,8))=22(f)+h(23一02fal(P,2,8)(3)+(2l(t),22(￡))+自0"())=2(￡)一^3fal(,3,占)式中,21(t)——》l(t);22(f)——》2(t);"(￡)——》n()=未知扰动:fal(,——输出误差校正律;l,卢t——输出误差校正增益;h一积分步长.2.2.4控制量…￡l=l】一2【——误差信号;E2=【2一22——误差嗽分信号;"(t):fa1(￡1.口.)+2f(E2.口0.)一(23十,0(￡2l,22))/b0;fal——误差反馈律;——(23+,0(2【,22))/6¨——系统总固仿真软件是基于WIN95的MD[程序用delphi40开发,实现的功能如F1可设置任意形式的对象.可舍有噪苫:2可设置,修改控制器参数.3可保存当前参数设置,也可通过参数文件设置当前参数.4仿真结果以图形方式直接给出:5可控制仿真进程,中进修改参数,动态显示仿真过程.6提供帮助系统,随时得到系统帮助:7.提供安垒机制,可"修改密码.8.不仅有完整的控制器仿真,也有控制器各部分仿真.9.提供解常微分方程,差分方程仿真.3.2仿真软件的总体构成仿真软件的总体框图见图2.本仿真软件包括不同阶数的对象模块.在各个对象模块中,可以定义各种对象,数字仿真结果立即以图形方式给出,对于感兴趣的对象可以存储起来,便于将来的研究利用.由于函数的性质对于对象的性质有直接的影响.因此也提供了函数性质模块,可以直观地把握函数的性质.为了分析TD安排过渡过程的效率,本软件包括阶,二阶TD模块.通过TD模块,可"研究TD参数r对效率的影啊.ESO是ADRC的重要组成部分.它使ADRC具有智能特点,是ADRC具有优越控制功能的基础:通过ESO模块, 可以研究ES0的估计效率与对象的变化规律闻的关系,提高调参技能.为了说明非线性控制器的控制效率,也是为了与ADRC相比较.仿真软件也包括NLPID模块NLP1D也是韩京清研究员发明的一种非线性控制器,利用两个TD作为安排过渡过程和提取被控对象的输出的微分信号,利用非线性PID 反馈作为控制量.其控制品质虽不如ADRC似比传统PID控制器优越.图2仿真软件蓉框架+"+6)+订)(U第11卷5期朴军,韩京清:自抗扰控制器(ADRC)仿真软件f}『于微分方程,差分方程是设计控制器的数学基础仿真鞋件也包括微分,差分方程模块.利用该模块,可以自由定阶,解任意阶的微分,差分方程,其结果以图形方式结出,对于方程的定性研究有很大帮助.仿真软件的恢心模块是ADRc模块,包括一阶,二阶,三阶.通过ADRc模块,可以认识.M)RC的控制品质.可以对系统响应的慢,是否超调,对控制器的鲁棒性,适应性作出评判.ADRC模块是综台模块,把被控对象,控制目标,安排过渡过程,系统辨识,控制反馈融为一体.作为完整的软件产品,本仿真软件也包括标准WIN95帮助,以及规范的密码授令模块.4ADRc仿真软件子模块设计4.1函数识别与计算函数的识别与计算是ADRC仿真软件的基本功能模块,对象的描述方程的计算都是基于该模块.要求对输入的函数表选式字符串,该模块能够输出基本函数复台形式的字符串.并能够把基本函数复合形式的字符串转化成适当的函数指针形式以便计算.函数表述式字符串由基本函数(sin, cos,powor,log等),基本算符(+,,*,/,一),常数表达式,变量表达式,括号构成,其表达方式与人们的书写习暾相一致, 如(sin()*c∞()+2)/(tog(1一)+4)埘其复杂程度不做限制.完全取决于使用者.为了符合上述要求,把基本算符(+,一,*,/,')转化为(add,minus,mul6ply.divid,power)基本函数形式,利用了非线性数据结构一树,树的节点表示基本函数,树的端点表示常数和变量,整个树用递归生成.整个过程分以下阶段:a.把包古基本算符(+,一,*,/,一)和括号的函数表达式字符串转化为基本函数复合形式的字符串.b把基本函数复合形式的字符串套到树上,树的节点表示基本函数的指针,树的端点是指向常数和变量的指针.c从树根到树梢递归计算得到对某个变量的函数值.基本函数的识别是通过规定其标准形式而实现,标准形式为基本函数名(参数,参数,?).例如,对于表达式3*+6'2—1.a步后应生成add(multiply(3,),minus(power(6,2),1))b步后应生成如图3.树的节电都是指向函数的指针,树的末端是指向常数或变量的指针.田/l\l,圆圆\/\,r]r一\lx_Ipower]/\L———/\——62国3非线性数据结构树在c步,设取L,则相应地mul6ply一>3power> 36.minus>35,add一>38,最后输出38.4.2解常微分方程组解常微分方程组是ADRC仿真软件数字仿真的基本功能模块,所有的仿真模块都用到它.要求对输入的方程右端(任意的而非固定的)给出数值解.具体实现是通过把41和欧拉法结合起来,其过程如下:a利用41得到表示右端函数的树,方程的阶数与树的个数相等.b赋初值或把上一步结果结树梢中的变量.c利用递归得到右端函数的计算结果.d利用欧拉法得到下一步状态量值e循环到b步.直到规定的循环次数.4.3数字仿真图形表示图形功能是~nfl3RC仿真软件的基本功能,把数字仿真结果以曲线形式直观地表示出来.可以对其图形进行局部放大,拖动操作,这是del【Dhi40本身提供的图形工具的功能. 其实现过程如下:a生成Tserie~对象,个数与状态变量十数相等:b利用41或42得到状态变量值.c利用tser[esaddxy(,Y,labe1.color)为序列赋值.d循环到指定步数.e利用Tcharrrepaint显示生成的序列结果.4.4数字仿真图形的动态表示43的图形功能是静态的,使用者看到的是最终仿真结果,没有给出曲线的生成过程,而在实际应用中,使用者往往不仅要求了解曲线生成的结果,还要求知道过程,甚至要求在生成过程中暂停,修改参数,然后进行对比.数字仿真图形的动态表示模块满足了这种要求.实现是用了MULTI THREAD技术,生成更新状态曲线的后台线程不断地更新曲线,后台进程每算一步都从全局变量中得到参数值.其实现过程如下a主线程生成Tthread对象,运行Tthread.execute.b如果threadterminated=trlle则结束线程,否则执行c.c从全局变量中得到参数值.d利用敢拉法算下一步状态.eTserires.addxy(T.Y,label,color)为序列赋值.f子线程thread要求更新曲线.g进入b.直到循环结束.可以从主线程结束子线程,也可以从主线程暂停子线程,然后再恢复子线程的运行.4.5文件系统的实现对于仿真软件来说,文件系统是必须的.很多有典型意386系统仿真1999年10月义的对象需萼存储起来,以便将来研究,或者相互比较:同时凋出来的好的控制参数也需要存起束备将来的借鉴随着时问的推移,原米所存信包的价值也会发生改变,因此仿真软件的文件系统必须允许对其存储信息进行增加,删除,更改使用ADRC仿真软件实现上述要求的过程如下: 生成新信息:把生成信息的环境中的关键标识连同其值一同作为一条记录写入memo对象,不同的标识对应不同的字段使用历史情包:把选中的memo对象中的历史信息根据其标识对当前的仿真环境进行恢复,使其达到生成信息时的状况删除历史信息:把选中的历史信息删掉.让后一十记录上移修改历史信息:可以任意修改,不用特别处理.文件系统都是标准ASCII文奉文件,相关表(FORM)显示前把文本挚十一次性读人相应的对象中.相关表(FORM)关闭时把相应的对象中字符内眷写入文本由f仿真软件对文件系统要求不高.因此未使用delphi40所提供的interbase数据库系统,诚系境对计算机资源要求高.非常鹿大,实在没有必要用它.5数字仿真实验情况为了验证和了解:'aJ)RC的控制功效,我们举例说明:5.1对象及参数设置对象的厅程及ADRC各组成部分的参数如图4所示.O图4ADRC各组成部分的参数0123456789101112131415161718192O圈5阶跃响业这里要仿真的是用ADRC控制对象1—1012345678g101112131415161718192O图6系统扰动及其估计ljt2=,J+bJ"+0+60"【:使其单位阶跃响应快速,无超调,无静差.其中f.=va'0(t) (函数形状见图6),bL=0.fo=0,b0=1.仿真初始时刻为0,步长为0.01秒,仿真2000步.对设定值1安排过渡过程,这里TD的参数r=0.5,相当于安排近3秒而无超调的过渡过程,ESO的参数=1.(2=05,3=025),a一00001,.so】=100,2=65.卢¨3=85;误差反馈律:=0+75(0=05).l=100,p2=10.5.2数字仿真结果图5显示的是设定值,安排的过渡过程和实际响应.后两者几乎看不出差异.只在11秒多一的时刻和接近14秒时由于系统有较大的跳跃(见图6)而呈现一点差别.图6显示的是系统扰动v.r0()和ESO对它的估计￡23 (),几乎重台从以上实验可以看出,ADRC控制效果是很好的.仿真软件也方便,直观地体现了ADRC.6结束语ADRC控制器,作为新型的非线性控制器,其理论也币断发腱,H趋成熟.相应的应用领域不断扩展.基于ADRC思想的新方法不断涌现.ADRC仿真软件,理应随着ADRC的发展而发展仿真软件现在仅包括基本的要素,其版率现在是10,相信在ADRC研究者的共同努力下,功能更强,使用更方便的新一代的ADRC仿真软件在不久的将来到ADRC使用者手中.参考文献:_】]韩京清控制系统鲁棒性与GODE[不完备性定理【A]中国控制会议论文集[C]l995248—255[2]韩球清王伟非线性跟踪微分器!J]系统科学与教学.1994.14(2)[3】韩清,袁露林跟踪微分器的离散形式[A]96控制采境仿真与CAD会议戈集.C]1～6[4]韩京清一娄不确定对象的扩张状志观测器[J]控制与决策.1995.10(1)[5]韩京清白抗扰控耩器及其应用[J]控制决策,1998,13(1)第11卷5期朴军,韩京清:自抗扰控制器(ADRc)仿真软件?387? 朴军1968年12月生,1991年毕业于七海复旦大学应用数学专业.1997年起在中科院系统所开始硕士阶段学习,师从韩京清教授学习非线性控制:韩京清1937年11月生,1958年毕业于吉林大学数学系,1966年于苏联莫斯科大学数学力学系研究生毕业.现为中科院数学与系统科学研究院研究员,博导主要研究方向为控制理论及应用,控制系统非线性设计,控制系统CAD设计,人口系统理论.(上接第360页)6算法实例上述算法已在微机上实现,井把它纳入了东风汽车公司总装广的计算机辅助装配工艺设计系统中,应用结果表明算法具有高的稳定性和准确性.以下是该算法应用的一个实Station1Statien2Station3(450)(450)(45O)例.图2是该AIB实倒问题应满足的紧前关系网络图,图中给出了工位编排的结果.该实倒由16个作业单元构成, 总工时为25.5,以节拍4.5为优化目标,最小工位数的下界LB(1)=int(255/45)=6;LB(2)=3,算法优化结果为6个工位,与LB(1)相等,编成效率为25.5/(6×4.5)=944%. Station4Station5Station6(380)(400f420)2.o15i1.0104.2.n!/\\f1.5@.@0-P是自由节点一tx:作业单元号CycleTime=450(x)t:怍业时同图2紧前关系约束图7结语AIB问题在求解还需考虑更多的实际约束,因此必须对同题的数学模型作进一步的修正,以期优化结果能更好地指导流水线作业设计另外ALB问题属于复杂网络最优化问题,也是一个NP难题,要获得该问题解决的最好方法,还需进一步探讨,除了用启发式算法外,有必要尝试譬如分枝定界,枚举寻优等其它的求解方法.参考文献:[1]RobertKlein.ArnlinSchollM~imizithgtheproductionratein simplea~mblelinebal~cing—Abranchandhoundprocedure[.]1 EuropeanJournalofOperationa]Research,1996.91:3673852.Joh—RVOpti~lBalancingLfgesmb】eLinesWith'Fa—hie'【J]ManasementScience.1988,34r,2)3Ba),ba~IASu~'eyofExactAlgorithmsfortheS~mpleAssembly[4.[5]LineBalancingProblem,Managea'aeatScience,1986,32(8) HaekmanSTFast.EffeetiveAlgorithlTIsformpleAssembly LineBalancingProblems[J]OperationResearch,1989,37(6) JohnmnRV.ABranehandBoundAlgorithn~forA~mblyLine BalancingProblemsw【thFormulationI丌曙arities[J].Manage—II1Efl3tSdenee.1983.29(11).互吴君华男,1971年l2月9日生.华中理工大学博士研究生.主要研究方向:流水线产品总装工艺规划(IE),CAPP的应用与实践.夏巨谌,男57岁.华中理工大学材料学院院长主要研究方向:精密塑性成型,模具及工艺CAD.。
研究意义1•研究意义由于无刷直流电机在四旋翼飞行器控制中的关键作用以及在生产实践中日益广泛的应用，设计快速且平稳的控制系统成为首要任务。
目前，基于现代控制理论的高性能异步电机调速方法主要是依靠精确的数学模型加上传统的 P ID控制。
PID控制实际应用效果较好，但又无法避免对负载变化的适应能力差、抗干扰能力弱和受系统参数变化影响等弱点，而且交流调速系统具有非线性、强耦合、多变量及纯滞后等特性，很难用精确的数学模型描述，这就使得基于精确数学模型的传统控制方法面临严重的挑战。
另外，经典P ID控制需要根据运行工况的不同而调节控制器参数，无刷直流电机又具有数学模型复杂，非线性等特点，这给现场调试增加了难度。
2•国内外研究状况及发展（1）无刷直流电机基本控制方法无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。
直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，无刷电机的转子上装有永磁体，定子上是电枢，与有刷电机正好是相反的。
它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。
电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。
由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入（一般为24V）或以交流电输入（110V/220 V），如果输入是交流电就得先经转换器（con verter）转成直流。
不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器（inverter）转成3相电压来驱动电机。
换流器（inverter）一般由6个功率晶体管（V1〜V6）分为上臂（V1、V3、V5）/下臂（V2、V4、V6）连接电机作为控制流经电机线圈的开关。
控制部则提供PWM脉冲宽度调制）决定功率晶体管开关频度及换流器（inverter）换相的时机。
直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器（hall-se nsor），做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。
但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
电机驱动电路如图？所示。
图1无刷直流电机的控制电路为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。
早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。
要实现电机转速的控制必须有速度信号。
用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。
直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。
控制电路用作控制电机的转速、转向、电流（或转矩）以及保护电机的过流、过压、过热等。
上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。
当前，控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。
在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。
采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向。
图2无刷直流电机控制回路图3无刷直流电机控制原理二、研究内容1•无刷直流电机数学模型无刷直流电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，得到准确的数学模型比较困难，本文采用ADRC控制器对无刷直流电机进行控制，以满足控制系统对电机模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的适应性和鲁棒性的要求。
自抗扰控制器是一种无模型的控制器，无模型并非指没有模型，而是指只有一个所有对象都具有的、普遍的、共性的模型。
以三相桥式Y接电机为例，假设电机采用两个一阶自抗扰控制器实现对电机的内、外环控制，内环控制电流，外环控制转速，首先应该建立电机得到数学模型。
无刷电机的驱动电路也是不可忽视的一部分内容，一般采用六臂全桥驱动电路，通过位置传感器获得电机转子的位置信号，产生换向逻辑，根据换向逻辑，改变六个功率开关的开关顺序控制实现电机的换向控制。
本系统针对三相桥式采用两两导通方式的无刷直流电机，建立其电流模型和转速模型。
其次，为了实现对无刷电机的的驱动控制，需要建立无刷直流电机的换向逻辑模块和PW功能模块。
2 •改进PID缺点，设计ADRC控制系统众所周知，在控制工程中，占据主导地位的仍然是PID控制技术，尽管控制理论的发展已远远不局限于此，PID控制器在工业过程控制中占据的主导地位也是绝无仅有的。
PID控制技术的广泛应用，得益于它所具有的优点，即靠控制目标与实际行为之间的误差来确定消除此误差的控制策略，即用误差的过去、现在和变化趋势的加权和控制策略。
然而，科学技术的发展对控制精度和速度的要求，以及对环境变化的适应能力的要求越来越高，经典PID慢慢露出其缺点。
PID的缺点：①误差的取法；②由误差e提取d e/d t的办法；③“加权和”策略不一定最好；④积分反馈有许多副作用。
自抗扰控制方法是中科院韩京清研究员于1998年分析比较PID优缺点的基础上，提出的改进PID缺点的新的控制方法，克服 PID “缺点”的具体办法是：①安排合适的“过渡过程”；②合理提取“微分”-“跟踪微分器” (Tracking Differentiator ,TD);③探讨合适的组合方法-“非线性组合” (NF);④ 探讨“扰动估计”办法 -“扩张状态观测器” (Extended State Observer ,ESO)。
本系统将针对无刷直流电机这一具体对象，分别选取合适的过渡过程，构造扩张状态观测器和快速微分跟踪器，实现非线性反馈，设计两个一阶自抗扰控制器，实现无刷直流电机的内外环控制。
图4无刷直流电机控制系统3 .对PID控制系统基于Simulink仿真建模这一部分将搭建 PID控制系统，调整其控制性能至最优，仿真无刷直流电机的各种特性曲线，目的是用来作为后面部分 ADRC控制性能对比。
应该完成的内容包括：电机模型参数确定，选择具体的电机来作为控制对象；PID控制程序编写; simulink中整个控制系统的搭建；控制系统仿真图像输出。
对ADRC控制系统基于 Simulink仿真建模这一部分是本设计的重点，对照第四部分内容，采用单项变量原则，完成对选定参数的电机的控制，其内容包括：ADRC控制程序的编写；搭建控制系统的 Simulink仿真模型；输出控制特性曲线；完成对控制特性的分析工作。
三、研究方案1•建立无刷直流电机双闭环模型无刷电动机主要有电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。
BLDC的反电势为梯形波。
梯形波反电势意味着定子和转子间的互感是非正弦的。
因为dq变换适用于气隙磁场为正弦分布的电动机，因此，将电动机三相方程变换为dq方程是困难的。
为便于分析，以三相桥式丫接电机为例，直接采用电机原有的相变量来建立数学模型。
假设电机采用三相对称绕组，驱动电路的功率器件为理想开关电机反电势为梯形波，忽略续流二极管的电流，建立电机的状态方程。
(1 )电流模型由直流电机电压平衡关系U a r o 0 i L M o 0 i a d dti be aU b 0 r 0i b 0 L M 0 e bU c 0 0 r i c 0 0 L M :i ce c式中，U a、U b、U c 为定子相绕组电压；i a i b、i c 为定子相绕组电流；r为各相电枢绕组电阻；L、M分别为各相绕组自感和互感；ea、eb、ec为定子相绕组反电动势。
三相桥式无刷直流电机选择两两导通方式，任意时刻只有两相绕组导通。
假设电枢电流为i,两相电枢绕组的感应电动势为e,则e8 e2。
( e i为电流流入绕组的感应电动势，e2为电流流出绕组的感应电动势)，因而得到电流关系模型iri U s eL M 2(L M) 2(L M)式中，Us为两相导通绕组上的电压。
在simulink中建立电流模块的模型为由直流电机的电磁转矩方程为T em ©i a ed b eJ J /w式中，3为电机的机械角速度。
机械运动方程为式中，D为粘滞阻尼系数；T L为负载转矩；J为转动惯量。
以上两个关系可以得出直流电机转速模型在simulink环境下建立转速模块的模型为em T L DwdwdtDwJeiwJT Li QUt(2)转速模型(3)换向逻辑模块和 PWM功能模块BLDC控制系统中，逆变器的换相时刻是通过 BLDC内部的转子位置信号进行控制的。
对应于极对数为6的无刷直流电机,每经过1 /6电气周期(60 °电角度)作为无刷换相时刻。
由于 BLDCM控制系统为方波驱动,PWM调制信号只需为等幅、等宽、等距的信号 ,则可以用S函数来生成PW信号。
PW信号以及逆变器各功率管导通信号产生的模型如图？？？？所示。
2.采用PID控制建模，获取性能曲线3.设计自抗扰控制器(1)安排“过渡过程”安排“过渡过程”主要解决PID控制中误差取法不科学的问题。
主要改善三方面问题，第一，决超调与快速性的矛盾；第二，使误差反馈增益和误差微分反馈增益的选取范围扩大；第三，使给定的反馈增益能适应的对象的参数范围大为扩大，即控制器的鲁棒性更强。
根据对象承受的能力，先安排合理的过渡过程 M(t)，然后取误差e=V i(t)-y ，对于不同阶数的系统，安排过渡过程的方法不尽相同，以一阶对象为例，假设 T 是过渡时间，则可以先取过渡过程的速度函数w(t)，再求积分，得到过度过程Vi(t)。
(2) 跟踪微分器(Tracking Differentiator TD ) 微分器一般是通过采用惯性环节尽可能的快(取小的时间常数)跟踪输入信号的动态特性，通过求 解微分信号(即通过积分)来求取近似微分信号。
因此把这个动态结构可以称作跟踪微分器(Track ingDifferentiatorTD )，即一边尽可能快的跟踪输入信号，同时给出近似微分信号。
这里给出一个一般的例 子。
设二阶系统为：X i X 2X 2u, ur上式的 “快速最优控制”综合系统可以求出，令Xi (t)Xi (t) V(t)进一步可以得到XiX 2X2rsgn(Xi v (t)X 2X2 /(2r)式中，X 1 ( t)是在限制X iw r 下,最快地跟踪输入信号V ( t) o X i ( t)充分接近V ( t )时有X 2 ( t )=X1(t)可做 V( t)的近似微分。
采用这种微分结构，无论是微分效果还是噪声抑制效果都是比较好的。
