基于微分几何的交流电机非线性控制理论研究与应用

发布时间：2017-03-21 02:03

  本文关键词：基于微分几何的交流电机非线性控制理论研究与应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：截至到20世纪末,大多数板带钢材卷取生产线采用直流电机作为核心引擎。近十几年来,随着液压传动系统的不断改进和先进的电力电子变频装置的应用,越来越多的交流电动机成为带钢卷取机的主引擎。成品板带材的自动卷取是整个热轧生产过程的最后一道工序,也是保证连续生产线高效率运作的重要环节,所以在国内外钢铁工业中对卷取机的卷动速度和转矩等多个指标的控制都有很高的要求。那么针对卷取机主卷筒内的交流电动机,设计出更先进的非线性控制算法便成为构造此类电力拖动系统的核心任务。这也正是本课题的工程背景：通过研制新型交流电机的非线性控制器,实现对卷取张力的高性能控制,保证整个带钢生产线的高效连续生产,确保良好的带钢产品产量和质量。 本文在交流电动机非线性控制的理论研究方面,涉及了当今非线性控制理论的两大分支。一个分支是“模型论”,即以已知被控对象的精确模型为前提,进行控制算法的研究与开发。另一分支是“调节论”,对被控对象的数学模型依赖程度不高,而是重点关注如何消除受控系统某状态变量反馈值与设定值的误差,以“依偏差消除偏差”的思想为指导,通过动态调节系统的输入量,实现对整个系统输出值的跟踪控制。以下是本课题中的主要理论成果： 1)以当前交流电机驱动的卷取机的生产工艺特点为基础,研究含振动因素的带钢卷取张力控制模型,建立与热轧交流电机驱动的卷取机恒张力控制相适应的卷取机转速规程。提出以微分几何非线性控制方法解决高速连续卷取过程中的张力／卷速间接控制问题。对于交流电动机这一类仿射型非线性系统,首次引入输入-状态稳定(Input-State Stability, ISS)的概念证明基于微分几何的电机非线性控制系统稳定性。提出将非线性控制律作用下的仿射非线性系统看作广义互联系统,然后对大系统内的各子系统分别讨论ISS特性,再结合小增益定理推证整个非线性控制系统的稳定性。最后通过仿真测试验证所述理论的正确性。 2)在满足热轧带钢卷取张力控制指标的前提下,增加考察交流异步电机的铁芯能耗因素,建立了含铁耗因素的电机能耗模型。基于此模型设计卷取机的张力／速度控制系统,并设计出具体的实验配置及实现方案。重点是对于交流异步电动机的多输入多输出仿射非线性系统,运用精确反馈线性化(Exact Feedback Linearization, EFL)算法设计出系统的非线性控制律和最优控制器。实验数据表明将微分几何非线性控制应用于交流电机驱动的卷取机系统,可以达到多目标优化控制的效果,在铁芯能耗动态可控的约束条件下,实现转速和转矩的解耦控制。 3)提出基于自抗扰控制思想的主动转速补偿控制(Active Speed Compensation Control, ASCC)策略,以克服传统交流电机驱动的卷取机中直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC)系统的固有缺陷,解决因较大冲击性机械负荷导致的电机转矩脉动和转速降落问题。设计出交流电动机的主动补偿策略,并且在理论上做出非线性扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)的稳定性论证。最后以仿真测试验证控制策略的良好性能。 4)基于对两类非线性控制方法的研究,本文进一步提出将微分几何非线性控制与自抗扰扩张状态观测器相结合的非线性控制方法。同样以交流异步电动机作为被控对象给出详细的控制算法设计过程,提出并且论证此类非线性控制律存在的理论条件。最后采用一种新颖的仿真技术：基于Saber和Simulink软件平台的联合仿真方法,进行电机控制的仿真研究,验证基于观测器的精确反馈线性化控制(EFLESO)方法的有效性。
【关键词】：微分几何 非线性控制 交流异步电动机 稳定性 卷取机
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O231
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 插图清单13-15
• 1 绪论15-31
• 1.1 课题的工程背景15-18
• 1.2 非线性控制理论综述18-27
• 1.2.1 非线性控制理论分为两大分支18-23
• 1.2.2 微分几何非线性控制理论的发展23-24
• 1.2.3 非线性控制理论的不足24-27
• 1.3 本文的主要内容与创新点27-31
• 2 交流电机驱动的卷取机生产工艺及数学模型31-51
• 引言31
• 2.1 热连轧带钢卷取工艺31-34
• 2.2 卷取速度规程计算模型34-39
• 2.2.1 卷取机各工作时段的卷径计算36-37
• 2.2.2 卷筒旋转速度及角加速度计算37-39
• 2.3 卷取张力控制模型39-47
• 2.3.1 间接型卷取张力控制方法39-41
• 2.3.2 卷取机的直接转矩调节器原理41-43
• 2.3.3 交流电机驱动的卷取机模型43-45
• 2.3.4 交流异步电动机转矩控制分析45-47
• 2.4 交流电机驱动的卷取机的控制系统仿真47-49
• 小结49-51
• 3 基于微分几何的非线性控制及稳定性分析51-71
• 引言51
• 3.1 微分几何非线性控制理论基础51-56
• 3.2 非线性系统精确反馈线性化原理56-60
• 3.2.1 相对阶等于系统的维数的情况57-58
• 3.2.2 相对阶不等于系统的维数的情况58-60
• 3.3 精确反馈线性化控制的稳定性论证60-67
• 3.3.1 ISS稳定性理论61-62
• 3.3.2 电动机子系统的ISS稳定性证明62-64
• 3.3.3 级联型EFL控制系统的ISS稳定性64-67
• 3.4 交流异步电动机的非线性控制器仿真67-70
• 小结70-71
• 4 微分几何非线性控制在交流电机驱动的卷取机中的应用71-91
• 引言71
• 4.1 交流异步电机的能耗效率模型71-73
• 4.2 交流电机系统的精确反馈线性化73-79
• 4.3 非线性鲁棒控制器设计79-82
• 4.4 交流电机驱动的卷取机能耗效率控制仿真测试82-85
• 4.5 交流电机驱动的卷取机控制系统实验85-89
• 小结89-91
• 5 直接转矩控制系统的主动转速补偿控制91-109
• 引言91
• 5.1 自抗扰控制理论在DTC控制系统的应用91-93
• 5.2 交流异步电动机的扩张观测器设计93-96
• 5.2.1 非线性扩张观测器模型93-94
• 5.2.2 交流电动机转速扩张观测器的设计94-96
• 5.3 基于ESO的主动速度补偿控制96-99
• 5.4 高阶非线性观测器的稳定性证明99-101
• 5.5 基于ASCC的卷取机DTC系统仿真分析101-108
• 小结108-109
• 6 基于扩张观测器的精确反馈线性化控制109-129
• 引言109
• 6.1 结合主动补偿控制的精确反馈线性化策略109-111
• 6.2 异步电机系统的自抗扰精确反馈线性化设计111-116
• 6.3 基于ESO的非线性控制律存在性证明116-118
• 6.4 SaberRD Simulink联合仿真方法118-122
• 6.5 仿真测试与结果分析122-128
• 小结128-129
• 7 结论与展望129-133
• 7.1 论文的总结与思考129-131
• 7.2 后续研究的展望131-133
• 参考文献133-144
• 作者简历及在学研究成果144-149
• 学位论文数据集149

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郎燕;李运华;;电液复合调节作动器的精确线性化建模与控制[J];北京航空航天大学学报;2009年09期

2 武涵;徐春广;肖定国;郝娟;;五自由度磁轴承系统的α阶逆系统解耦控制[J];北京理工大学学报;2010年09期

3 马幼捷;王新志;周雪松;;基于微分几何理论和自抗扰控制技术的励磁控制器设计[J];电工电能新技术;2007年01期

4 曹建荣,虞烈,魏泽国,王勉华;基于逆系统理论的感应电动机解耦控制的研究[J];电工技术学报;1999年01期

5 刘国海,戴先中;感应电动机调速系统的解耦控制[J];电工技术学报;2001年05期

6 孟昭军;孙昌志;安跃军;杨红敏;;状态反馈精确线性化永磁同步电动机转速控制[J];电机与控制学报;2007年01期

7 赵磊;赵雪峰;郑永爱;;采用模糊控制实现混沌系统的广义投影同步[J];电机与控制学报;2007年06期

8 刘陆洲;肖建;王嵩;;感应电机的新型神经网络广义逆系统解耦控制[J];电机与控制学报;2009年S1期

9 荀尚峰;李铁才;周兆勇;;飞轮储能系统放电单元无源化控制方法研究[J];电机与控制学报;2010年07期

10 马红波;冯全源;;基于精确反馈线性化的Buck开关变换器定频PWM滑模控制[J];电力自动化设备;2009年08期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 刘丽英;线性自抗扰控制策略在异步电机调速系统中的应用研究[D];天津大学;2010年

2 管志敏;自抗扰控制技术在大型火电机组控制系统中的应用研究[D];华北电力大学（北京）;2010年

3 刘涛;带钢冷轧轧辊热行为及其补偿策略研究[D];燕山大学;2006年

  本文关键词：基于微分几何的交流电机非线性控制理论研究与应用，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：258816