主動同步

主動同步是一種計算機技術，一般指的是主動在兩個或多個資料庫、檔案、模組、執行緒之間用來保持數據內容一致性的機制。自從1990年Pecora和Carroll提出同步以來，很多類型的同步方法在電機工程、機械振子、安全通訊保密、生物神經網路和化學耦合振盪等領域有廣闊的套用前。

基本介紹

• 中文名：主動同步
• 外文名：Active synchronization
• 提出者：Pecora和Carroll
• 提出時間：1990年
• 套用：安全通訊保密、生物神經網路等
• 套用學科：機械工程、計算機科學、通信工程

簡介

主動同步是一種計算機技術，一般指的是主動在兩個或多個資料庫、檔案、模組、執行緒之間用來保持數據內容一致性的機制。自從1990年Pecora和Carroll提出主動同步以來，很多類型的同步方法在電機工程、機械振子、安全通訊保密、生物神經網路和化學耦合振盪等領域有廣闊的套用前景，主動同步問題已經成為了非線性科學領域的熱點問題之一。由於工程實踐套用中，耦合參數激勵混沌系統的廣泛存在，因此對於這類混沌系統的同步研究顯得尤為重要。雖然，套用於不同結構混沌動力系統的同步方法眾多，但是大多數方法都是針對自治系統提出的，而適合非自治系統的方法卻很少。

主動同步方法

假設驅動系統是一個n維非自治系統，用微分方程描述為

其中：x(t)∈Rⁿ為驅動系統狀態變數；A是以n×n的係數矩陣；f(x(t))是系統的非線性部分。

回響系統也是一個n維非自治系統，形式為

其中：Y(t)∈Rⁿ為回響系統狀態變數；B是n×n的係數矩陣；g(y(t))是系統的非線性部分；U(t)為主動控制器。

設同步的誤差變數為

則該同步方法的目標是設計一個合適的U(t)，以實現驅動系統和回響系統達到同步，即

令C=B—A，誤差動力系統可寫為

則驅動與回響系統間的同步問題轉換為如何實現系統的漸近穩定的問題，即設計一個合適的主動控制器U(t)，使得誤差動力系統在原點處漸近穩定。

設計主動控制器為

其中矩陣D∈Rⁿ是反饋增益矩陣，將U(t)帶入系統，令M=(B-D)，

則誤差動力系統為

其中M∈Rⁿ。驅動系統與回響系統之間的同步問題最終轉化為確定系統的一致漸近穩定的問題。於是，根據非線性穩定性理論，對於周期系統和慢變參數系統而言，以定理的形式給出使得誤差動力系統一致漸近穩定的充要條件。

定理：存在一個反饋增益矩陣D，使得矩陣M的特徵值為負實數或者是具有負實部的複數，則誤差動力系統為一致漸近穩定，即驅動系統與回響系統達到同步。

註：1對於周期系統和慢變參數系統而言，定理顯然成立。由此可以依據Routh-Hurwitz判據和特徵矩陣負定理論，確定系統達到一致漸近穩定的參數條件。

註：2以上給出的同步原則為不同系統間的主動同步，當A=B，g(y(t))=f(y(t))時，即驅動系統與回響系統為相同系統時，該方法就為主動自同步。所以該方法既適契約結構的系統也適合異結構的系統。

註：3該方法也可以實現相同系統或不同系統間的反同步。設反同步的誤差變數e(t)=Y(t)+z(t)，設計一個合適的U(t)，實現驅動系統和回響系統達到反同步，即。實現驅動系統與回響系統間的主動反同步，只需在上述給出的反同步的基礎上，對e(t)進行修改即可。

基於PLL原理的主動同步控制算法

PLL是目前三相系統使用最普遍的相位同步方法，是一種基於反饋控制原理實現頻率及相位的同步技術，一般由鑒相器、環路濾波器、壓控振盪器等組成一個反饋迴路。鑒相器比較輸入輸出的相位信號；環路濾波器，典型的為一個比例—積分（PI）調節器，使相位誤差最小並提供優良的信號驅動壓控振盪器；壓控振盪器產生輸出的振盪信號。基於該原理的主動同步控制算法如圖所示。

　基於PLL原理的同步控制算法

鑒相器

2個電壓矢量叉積在按照右手定則方向上的投影如式所示，進一步用兩相靜止坐標系αβ或兩相同步旋轉坐標系dq量表示為：

電壓矢量的叉積可反映電壓矢量之間的相位差。該相位差包括兩個部分：一個為相角差；一個為頻率引起的差值。同時，只有頻率和相角均相等的情況下才始終為0，因此其可用於頻率和相角的同步控制。

同時可見，叉積的最大值為2個電壓矢量幅值的乘積。因此，為了適應不同的電壓等級和PLL設計參數的一致性，可進行歸一化處理。考慮到2個電壓矢量要滿足合閘條件，均應該在額定電壓附近，故可將電壓矢量的叉積除以額定電壓幅值的平方V²_N來作為PLL的鑒相器。而2個電壓矢量的叉積，可簡單採用式所示的兩相靜止坐標系αβ分量進行計算。αβ分量可由abc三相坐標系量通過簡單的Clark變換得到。

環路濾波器與壓控振盪器

環路濾波器可採用典型PI調節器，其輸出ω*_syn用於自動平移下垂特性曲線。而壓控振盪器可由一次控制來實現，一次控制根據接收到的ω*_syn相應地平移頻率下垂曲線，最終改變微網電壓頻率和相角。

幅值同步控制

可由αβ分量計算主電網和微網電壓的幅值，再通過簡單的PI調節器進行偏差控制，其輸出V^*_syn傳遞給一次控制，將相應地平移電壓下垂曲線。由於僅需傳遞ω^*_syn和V^*_syn，可僅依賴低速低頻寬的通信。一旦合閘後，主動同步控制的輸出將會保持或緩慢轉至併網運行模式的協調控制。

通信延時影響

令二次控制周期為T_sec，用一階延遲環節分析該影響。採用設定的PI參數，T_sec從1ms變化到1s時，系統極點分布如圖所示。可見，隨著通信延時的增加，有一對共軛極點進入右半平面，系統將進入不穩定狀態。臨界穩定時，通信延時為435ms。因此，為保證系統穩定，二次控制周期採用100ms。

Tsec 變化時的系統極點分布圖

電機主動同步AMT

研究背景

機械式自動變速器(AMT)是一種由普通齒輪式自動變速器組成的有級式機械自動變速器。這種自動變速器主要由換擋操縱機構、齒輪式機械變速器和電子控制系統組成。其結構簡單，工作可靠，在很多車型上得到了套用。

在傳統AMT中常採用同步器，可以保證換擋時齒輪嚙合不受衝擊，有利於改善換擋品質，提高汽車的動力性和燃油經濟性。

設計原理

基於電機主動同步AMT是將電機和自動變速器集成。在該系統中，將電機的轉子和變速箱的輸入軸做成一根軸，變速箱的外殼與電動機的外殼用螺栓緊固在一起。整個系統結構緊湊，布置合理，能夠滿足換擋需求。

其控制原理是通過控制電機的轉速，在由低擋換入高擋時需要降低輸入軸的轉速，通過電機主動降速使輸入軸的轉速接近輸出軸的轉速;當由高擋換入低擋時需要提高輸入軸的轉速，使其轉速接近輸出軸的轉速，實現主動同步。通過監測輸出軸的轉速來控制電機的轉速，以輸出軸的轉速作為目標轉速，通過電機控制器改變頻率來實現轉速控制。在輸入和輸出軸的轉速差Δω滿足設定範圍時則可認為符合換擋規律，進行換擋。

AMT結構如圖所示，圖5M、T、PC、V、C分別代表電機、變速箱、控制器、電磁閥和氣缸，整車的機械動作過程為:控制器(PC)在接收到換擋信號後，判斷主動齒輪和嚙合套(被動齒輪)的轉速差，給電機控制器信號進行調速，使轉速差符合換擋規律。在檢測滿足條件後給電磁閥(V)發信號使其動作，通過電磁閥的動作來控制氣缸(C)的動作，使其通過連桿、撥叉來推動嚙合套與主動齒輪進行嚙合。

AMT結構簡圖

控制流程

AMT換擋控制流程如圖所示。在PC採集到換擋信號後，首先PC要監測變速箱輸出軸的轉速ω₁，以輸出軸的轉速ω₂為目標來調節電機的轉速，實時判斷ω₁-kω₂<Δω時，認為滿足換擋規律，PC向電磁閥組給出信號使相應的氣路打開，壓縮氣體通過相應的管路進入工作氣缸進行工作。在檢測到相應的擋位信號後認為換擋過程結束。

　AMT換擋控制流程圖

電機主動加速同步過程比主動減速同步過程所需時間要長;傳動比的比值相差越大，電機在調速同步過程中所需的時間越長。