交流伺服系统的模糊滑模控制研究

论文摘要

交流永磁同步电动机( PMSM)具有气隙磁密高、转矩脉动小、转矩/惯量比大、效率高、结构简单等优点,在要求高控制精度和高可靠性的场合,如航空航天、数控机床、雷达与各种军用武器跟随系统以及机器人等方面获得了广泛的应用。滑模变结构控制由于其滑动模态可以进行设计,具有对系统参数变化和外部扰动不敏感,具有鲁棒性好、响应速度快及容易实现等优点,所以非常适用于交流永磁同步电机伺服系统的控制。本文以永磁同步电动机交流伺服系统为研究对象,对交流伺服系统的快速高精度控制技术进行分析研究。论文主要由六部分内容组成:①概括介绍了交流伺服系统的发展历程及其控制技术国内外现状;阐述了论文研究的背景和论文的主要研究内容以及研究的意义。②概述了永磁同步电动机的基本结构和基本工作原理,阐述了PMSM伺服系统构成及工作原理,同时在分析其电压方程、转矩方程和运动方程的基础上给出了PMSM的数学模型。③阐述了滑模变结构控制的基本思想和重要的理论基础,分析了抖振的产生原因和削弱方法,总结了滑模控制器设计的基本方法,并且根据交流伺服系统的要求,设计了基于指数趋近律的常规滑模变结构控制器。④阐述了模糊控制的基本思想和理论基础;分析了它的特点和适用范围;概括了模糊控制系统的设计内容和设计方法;并针对滑模控制的不足之处,将滑模控制技术与模糊控制相结合,设计了一种模糊滑模控制器,利用模糊控制对指数趋近律的参数进行调整,以此削弱滑模控制固有的抖振现象。为了改善系统的控制品质,论文将遗传算法引入到了交流伺服系统的控制中,利用遗传算法自动生成模糊规则,对量化因子和比例因子进行寻优,进一步提高了系统的控制性能。⑤在Matlab/Simulink的仿真环境下,建立了交流伺服控制系统仿真模型,对控制算法的跟踪性能和鲁棒性进行仿真研究,并且对仿真结果进行分析。仿真结果表明,基于遗传算法的模糊控制器响应速度快,控制精度高,能削弱抖振荡,同时能保持滑模变结构控制的鲁棒性。⑥论文的最后一章对全文的主要研究内容进行了总结,介绍了论文的主要工作和论文存在的不足以及今后继续研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 交流伺服系统的发展概述
• 1.3 交流伺服系统控制技术国内外研究现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 永磁同步电动机的理论基础与数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电动机的基本结构和基本工作原理
• 2.3 永磁同步电动机交流伺服系统构成及工作原理
• 2.4 交流永磁同步电动机的数学模型
• 2.4.1 方程模型
• 2.4.2 结构框图
• 2.5 本章小结
• 3 交流伺服系统的滑模变结构控制
• 3.1 引言
• 3.2 滑模变结构控制的基本理论
• 3.2.1 滑模变结构控制的基本思想
• 3.2.2 滑模变结构系统中的滑动模态
• 3.2.3 滑模变结构控制的基本问题
• 3.2.4 滑模变结构控制的特性
• 3.2.5 滑模变结构控制系统的抖振问题
• 3.3 滑模控制器设计基本方法
• 3.3.1 切换函数的设计
• 3.3.2 控制律的设计
• 3.4 交流伺服系统的常规滑模控制器设计
• 3.4.1 交流伺服对象的状态空间描述
• 3.4.2 基于指数趋近律的滑模变结构控制设计
• 3.5 本章小结
• 4 交流伺服系统的模糊滑模控制
• 4.1 引言
• 4.2 模糊滑模控制的产生背景
• 4.3 模糊控制理论基础
• 4.3.1 模糊控制的定义与基本思想
• 4.3.2 模糊控制系统的基本结构
• 4.3.3 模糊控制器
• 4.3.4 模糊控制器的设计方法
• 4.3.5 模糊控制的特点及适用范围
• 4.4 基于指数趋近律的模糊滑模变结构控制设计
• 4.4.1 模糊滑模控制器的提出
• 4.4.2 模糊控制器的设计
• 4.5 基于遗传算法的模糊滑模变结构控制器优化设计
• 4.5.1 遗传算法简介
• 4.5.2 参数的编码与解码
• 4.5.3 确定适应度函数
• 4.5.4 遗传操作
• 4.5.5 遗传算法控制参数设置
• 4.6 本章小结
• 5 仿真建模与结果分析
• 5.1 系统仿真建模
• 5.1.1 交流伺服系统对象模型及给定信号
• 5.1.2 基于趋近律的滑模变结构控制器仿真建模
• 5.1.3 基于遗传算法的模糊滑模变结构控制器系统仿真建模
• 5.2 系统仿真与分析
• 5.2.1 基于趋近律的滑模变结构控制器仿真与分析
• 5.2.2 基于遗传算法的模糊滑模变结构控制器仿真与分析
• 5.3 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果