永磁直线同步电机鲁棒重复控制研究

论文摘要

基于辽宁省自然科学基金及辽宁省教育厅基金为背景,以高速高精密数控机床用永磁直线同步电机（PMLSM）伺服进给系统为研究对象,针对PMLSM直接驱动的特点,以及数控机床对伺服系统跟踪特性和鲁棒性的双重要求,传统的控制方法已经不能满足高速高精密的要求,因此本文结合重复控制、结构奇异值和滑模变结构控制等理论和方法,对摩擦力、端部效应所造成的周期性扰动、参数变化和负载扰动等诸多不确定性的PMLSM伺服系统的周期性跟踪控制问题进行研究。本文以理论分析和计算机仿真相结合的研究方式,分析了PMLSM的数学模型,确定了系统采用id=0的矢量控制方法,速度控制器设计为伪微分前馈-反馈控制（PDFF）,用于提高系统的伺服刚度和响应速度。由于伺服系统对位移跟踪精度要求很高,因此有针对性地设计能够抑制端部效应、负载扰动和不确定性的位移控制器。首先,针对PMLSM周期性扰动抑制和周期性输入信号的跟踪问题,对基本的重复控制方法进行改进。在基本重复控制器的基础上,添加一相位超前补偿器,来抵消速度控制器和电机本身的响应滞后,根据小增益定理确保系统稳定,有效地抑制PMLSM伺服系统的周期性扰动的影响,对周期性输入信号具有良好的跟踪特性。然后,针对PMLSM周期性扰动、负载扰动和参数变化等不确定性存在的情况下,提出重复控制和结构奇异值理论（μ理论）相结合的控制方法,利用线性分式变换（LFT）将结构奇异值重复控制问题转换成H∞标准控制问题,采用D-K迭代法设计结构奇异值重复控制器（SSVRC）,实现了系统的稳定性和鲁棒性,提高了伺服系统的跟踪精度。最后,考虑到重复控制在第一个周期内不起作用、跟踪误差大和系统抗扰性差的局限性,提出离散变结构控制和重复控制相结合的方法,设计准滑模面和重复趋近控制律,使系统状态到达呈周期性衰减的滑模面上,且“抖振”限制于边界层内,消弱了系统“抖振”的作用,提高了伺服系统的鲁棒性,实现了伺服系统对周期性信号的精确跟踪。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.2.1 课题研究的目的
• 1.2.2 课题研究的意义
• 1.3 国内外的研究动态
• 1.3.1 直线电机在数控机床上的国内外发展现状
• 1.3.2 直线电机控制策略的发展现状
• 1.4 主要研究的内容
• 第二章 永磁直线同步电动机的数学模型
• 2.1 永磁直线同步电动机的基本结构及工作原理
• 2.2 永磁直线同步电动机的D-Q轴模型和推力表达式
• 2.3 永磁直线同步电动机伺服系统中的不确定性分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 永磁直线同步电机重复跟踪控制
• 3.1 重复控制原理
• 3.2 改进型重复控制原理
• 3.2.1 典型重复控制
• 3.2.2 改进型重复控制
• 3.3 位移控制系统的重复控制器设计
• 3.3.1 PDFF 速度控制器的设计
• 3.3.2 位移PD 控制器的设计
• 3.3.3 位移重复控制器的设计
• 3.4 位移控制系统的改进型重复控制器仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 永磁直线同步电机结构奇异值重复控制.
• 4.1 结构奇异值控制理论
• 4.1.1 μ控制理论的产生及定义
• 4.1.2 与μ有关的重要定理
• 4.1.3 μ分析与μ综合
• 4.2 结构奇异值重复控制系统的设计
• 4.2.1 离散重复控制
• 4.2.2 离散结构奇异值重复控制器设计
• 4.2.3 结构奇异值重复控制系统的鲁棒稳定性分析
• 4.2.4 结构奇异值重复控制器设计步骤
• 4.3 结构奇异值重复控制系统的仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 永磁直线同步电机变结构重复控制
• 5.1 离散时间系统的滑模控制
• 5.1.1 离散滑模控制
• 5.1.2 离散滑模的存在性和可达性
• 5.1.3 离散滑模控制的不变性
• 5.1.4 滑模变结构控制系统的抖振问题
• 5.2 离散变结构重复控制系统的设计
• 5.2.1 控制系统的离散化
• 5.2.2 离散变结构重复控制器设计
• 5.2.3 鲁棒稳定性分析
• 5.3 离散变结构重复控制系统的仿真研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢