基于解耦线性化的潜器推进感应电动机鲁棒控制研究

论文摘要

在洋流和海浪的不确定性扰动下，潜器运动的鲁棒性和操纵性是与推进电动机控制有密切关系的重要性能指标。论文研究将H∞控制理论用于潜器感应推进电动机控制系统设计，以此来解决因推进电机模型参数摄动和外界扰动而影响系统控制性能的问题。在感应电动机转子磁场定向的矢量控制中，系统性能受转子电阻参数变化的影响很大，论文在矢量控制模型的基础上通过对原矢量控制模型施加非线性补偿获得动态的输入输出解耦模型。基于此模型，将系统表达为含参数摄动矩阵的状态空间模型，应用奇异值分解定理，设计了一种参数摄动矩阵的分解方法。研究应用H∞状态反馈控制理论设计鲁棒控制器以抑制转子参数摄动对系统性能的影响。为了更深入地研究基于解耦模型的感应推进电动机的鲁棒控制问题，基于非线性微分几何理论，研究了感应推进电动机分别在电压源和电流源逆变器驱动下的解耦线性化问题，获得便于H∞控制的完全解耦线性化模型。应用电压源逆变器驱动的感应电动机微分几何解耦模型，在Youla参数化二自由度控制结构基础上，根据控制器在结构上具有两个自由参数的特点，研究应用H∞和H2控制分别独立设计系统反馈和前馈控制器实现系统多控制目标优化的方法，对控制器设计参数对系统性能的影响进行了比较研究。论文对一种基于Youla参数化的二自由度广义内模控制（GIMC）结构的特性及其控制器的设计方法进行了深入的研究。基于电流源逆变器驱动的感应电动机微分几何解耦模型，设计二自由度的GIMC控制器并将其用于潜器推进控制的仿真研究，指出这种感应推进电动机控制方法可以在一定程度上有效改善推进系统的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 现代控制理论在IM控制中的应用
• 1.2.2 智能控制理论在IM控制中的应用
• 1.2.3 自适应和滑模变结构控制在IM控制中的应用
• 1.2.4 逆系统控制理论在IM控制中的应用
• 1.2.5 非线性控制理论在IM控制中的应用
• 1.2.6 感应电动机的矢量解耦控制
• 1.2.7 鲁棒控制理论在IM控制中的应用
• 1.3 鲁棒H∞控制理论概述
• 1.3.1 H∞控制理论产生的背景
• 1.3.2 H∞制理论研究的历程和现状
• 1.4 论文的研究目的和工作
• ∞控制的基本理论'>第2章 鲁棒H_∞控制的基本理论
• 2.1 函数空间和范数
• 2.1.1 时域函数空间
• 2.1.2 频域函数空间
• ∞标准控制问题及稳定性'>2.2 H_∞标准控制问题及稳定性
• 2.3 Youla参数化控制器
• 2.3.1 单自由度Youla参数化控制器
• 2.3.2 Youla参数化二自由度控制器
• 2.4 基于互质因式分解的鲁棒镇定控制器
• 2.4.1 正规化互质因式分解
• 2.4.2 互质因式的鲁棒镇定控制器
• ∞状态反馈控制器'>2.5 H_∞状态反馈控制器
• ∞控制器的ARE求解'>2.6 H_∞控制器的ARE求解
• 2.7 本章小结
• 第3章 潜器推进的运动模型
• 3.1 潜器操纵性的基本概念与坐标系
• 3.2 潜器水平面运动的仿真模型
• 3.3 螺旋推进器的四象限仿真模型
• 3.4 艇浆联合仿真模型
• 3.4.1 螺旋桨与潜器的相互作用
• 3.4.2 艇浆一体化模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 推进电动机非线性模型的解耦线性化
• 4.1 感应电动机在dq坐标系下的数学模型
• 4.2 转子磁场定向下的输入输出解耦
• 4.2.1 矢量控制的基本原理和充要条件
• 4.2.2 转子磁场定向下的输入输出解耦
• 4.3 微分几何理论概述
• 4.4 微分几何理论基础
• 4.4.1 光滑函数与光滑向量场
• 4.4.2 Lie导数与Lie括号
• 4.4.3 微分同胚
• 4.4.4 向量场的对合性与Frobennius定理
• 4.4.5 非线性系统的相对阶
• 4.5 多变量非线性系统的解耦和线性化
• 4.6 电压源逆变器驱动模型的微分几何解耦线性化
• 4.7 电流源逆变器驱动模型的微分几何解耦线性化
• 4.8 本章小结
• 第5章 推进电机的鲁棒控制研究
• 5.1 转子磁场定向下输入输出解耦的鲁棒控制
• 5.1.1 磁场定向下输入输出解耦的鲁棒控制
• 5.1.2 仿真结果
• 5.2 电压源逆变器驱动下的二自由度鲁棒控制
• 2的H_∞混合灵敏度设计'>5.2.1 反馈控制器C₂的H_∞混合灵敏度设计
• 5.2.2 加权函数的选择问题
• 2控制设计前馈控制器C₁'>5.2.3 应用H₂控制设计前馈控制器C₁
• 5.2.4 仿真分析
• 5.3 电流源逆变器驱动下的广义内模控制
• 5.3.1 广义内模鲁棒控制的基本原理
• 5.3.2 GIMC在二自由度控制中的推广
• 5.3.3 基于极点配置的二自由度控制器设计
• 5.3.4 仿真研究
• 5.4 潜器推进的仿真研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢