交流电机的能量成型与非线性控制研究

论文摘要

基于交流电机的现代电气传动是应用最广泛的机电系统，从控制的观点来看，它们提供了复杂的多变量非线性问题并且构成了非线性控制的一个重要应用领域。对于这些问题，我们综述和分析了现有的解决方案，但大部分方案太复杂而不容易实现。近来，系统镇定的能量成型方法尤其倍受关注，该方法的主要特征是在闭环控制中系统结构（哈密顿或拉格朗日结构）保持不变，其优点是闭环系统的能量函（存储）数可作为Lyapunov函数，从而使系统稳定性分析更容易。本文主要研究交流电机的拉格朗日、哈密顿、反步、单神经元直接模型参考自适应等控制方法。 1．首先，综述了交流电机控制策略的国内外发展动态，并从四个方面进行了分析：基于稳态模型的控制策略、基于动态模型的控制策略、不依赖于模型的控制策略、现代鲁棒与非线性控制策略。更进一步，我们介绍了欧拉-拉格朗日和端口受控哈密顿系统的能量成型控制方法的发展状况，并提出了交流电机传动系统的发展趋势。 2．介绍了输入输出稳定性、无源性、耗散性、L2增益、能量成型和能量平衡方程的定义和一些重要理论，实际上，这些理论反映了无源性是能量变换特性。描述并给出了欧拉-拉格朗日（EL）和端口受控耗散哈密顿（PCHD）系统的一般数学表达形式。 3．在科学和工程实际当中，能量是基本概念之一，通常认为动态系统是能量变换装置。在研究复杂非线性系统时，这个观点是非常有用的。把复杂非线性系统分解成比较简单的子系统，依靠互联并用注入能量的方法来确定整个系统的行为。据此，我们分析了EL和PCHD系统的一些重要特性，并从能量平衡的观点和交流电机的原始模型出发，在α β静止坐标系和dq同步旋转坐标系，分别建立了交流电机（PMSM—永磁同步电机、IM—异步电机、DFIM—双馈异步电机）的EL和PCHD系统模型。 4．一个相当不同的技术称之为无源性控制，已用于交流电机的控制。交流电机的EL模型提供了系统的物理特性，如：能量无源性、阻尼注入和能量成型。为了求解IM的速度控制问题，我们采用电机转子磁链子系统的无源性，给出了带电流内环速度控制系统的一种简明设计，所设计的系统无须

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 交流电机控制国内外发展现状
• 1.2.1 基于稳态模型的交流电机控制
• 1.2.2 基于动态模型的交流电机控制
• 1.2.3 不依赖于模型的交流电机控制一智能控制
• 1.2.4 交流电机的现代鲁棒与非线性控制
• 1.3 能量成型控制的国内外发展现状
• 1.3.1 交流电机的无源性控制方法
• 1.3.2 端口受控耗散哈密顿系统控制方法
• 1.4 本文的主要研究内容及章节安排
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 章节内容安排
• 第2章 理论基础
• 2.1 输入输出稳定性
• q和L_qe空间'>2.1.1 L_q和L_qe空间
• 2.1.2 算子与诱导范数
• q稳定性'>2.1.3 L_q稳定性
• 2.2 无源性与耗散性
• 2.2.1 无源性
• 2.2.2 耗散性
• 2增益'>2.2.3 无源性与L₂增益
• 2.2.4 无源性与反馈互联
• 2.3 无源性与能量成型
• 2.3.1 能量平衡方程
• 2.3.2 举例—串联RLC电路
• 2.4 欧拉-拉格朗日（EL）系统
• 2.4.1 欧拉-拉格朗日方程
• 2.4.2 举例-磁悬浮球系统的EL模型
• 2.5 端口受控耗散哈密顿（PCHD）系统
• 2.5.1 哈密顿方程
• 2.5.2 端口受控哈密顿（PCH）系统
• 2.5.3 端口受控耗散哈密顿（PCHD）系统
• 2.5.4 举例—串联RLC电路的PCHD模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 交流电机的EL与PCHD模型
• 3.1 坐标变换与变换矩阵
• 3.1.1 坐标变换的约束条件
• 3.1.2 三相/二相静止变换
• 3.1.3 二相/二相旋转变换
• 3.2 交流电动机的一般数学模型
• 3.2.1 异步电动机的一般数学模型
• 3.2.2 永磁同步电动机（PMSM）的一般数学模型
• 3.3 交流电动机的欧拉-拉格朗日模型
• 3.3.1 交流异步电机的欧拉-拉格朗日模型
• 3.3.2 永磁同步电动机的欧拉-拉格朗日模型
• 3.4 交流电动机的端口受控耗散哈密顿模型
• 3.4.1 建立异步电动机的 PCHD模型
• 3.4.2 双馈异步电机速度控制的 PCHD模型
• 3.4.3 永磁同步电动机的PCHD模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 交流电机的欧拉-拉格朗日控制方法
• 4.1 欧拉-拉格朗日系统的特性分析
• 4.1.1 EL系统中存在无功力项
• 4.1.2 EL系统的无源性
• 4.1.3 误差动态系统的无源性
• 4.2 欧拉-拉格朗日系统的PBC控制
• 4.2.1 无源子系统分解
• 4.2.2 无源性控制（PBC）的标准形式
• 2增益配置的关系'>4.2.3 与L₂增益配置的关系
• 4.3 基于异步电机五阶模型的PBC控制
• 4.3.1 控制器设计
• 4.3.2 仿真实验及结果分析
• 4.4 基于异步电机三阶模型的PBC控制
• 4.4.1 控制器设计
• 4.4.2 仿真实验及结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 交流电机的端口受控哈密顿控制方法
• 5.1 PCHD系统的能量平衡特性与能量成型
• 5.1.1 PCHD系统的能量平衡特性
• 5.1.2 PCHD系统的能量成型原理
• 5.1.3 通过能量平衡进行控制
• 5.2 通过互联进行控制
• 5.2.1 子系统互联与系统无源性
• 5.2.2 通过互联控制进行能量成型
• 5.3 互联和阻尼配置无源性控制（IDA-PBC）
• 5.3.1 控制作为一个状态调节源
• 5.3.2 匹配方法
• 5.3.3 例子一并联 RLC电路
• 5.3.4 互联和阻尼配置
• 5.4 一般非线性系统的 PCHD实现
• 5.4.1 仿射非线性系统
• 5.4.2 非仿射非线性系统
• 5.4.3 IDA-PBC的通用镇定特性
• d=O速度控制'>5.5 基于PCHD方法的永磁同步电机i_d=O速度控制
• 5.5.1 负载恒定已知时的控制器设计
• 5.5.2 负载恒定未知时的控制器设计
• 5.5.3 仿真结果与分析
• 5.6 基于PCHD方法的PMSM最大转矩/电流控制
• 5.6.1 负载转矩恒定已知情况的控制器设计
• 5.6.2 负载转矩恒定未知情况的控制器设计
• 5.6.3 仿真结果与分析
• 5.7 基于PCHD方法的异步电动机速度控制
• 5.7.1 PCHD系统控制原理
• 5.7.2 负载恒定已知时的异步电机控制器设计
• 5.7.3 负载恒定未知时的异步电机控制器设计
• 5.7.4 仿真结果与分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 端口受控哈密顿方法的扩展及应用研究
• 6.1 PCHD系统积分控制的引入及应用
• 6.1.1 PCHD系统的积分控制原理
• 6.1.2 双馈异步电动机速度的 PCHD控制
• 6.2 阻尼注入新方法
• 6.2.1 用动态扩张方法增加阻尼
• 2增益配置方法注入新阻尼'>6.2.2 通过L₂增益配置方法注入新阻尼
• 6.2.3 自适应阻尼注入
• 2增益扰动抑制及应用'>6.3 PCHD系统的L₂增益扰动抑制及应用
• 2增益扰动抑制原理'>6.3.1 PCHD系统的L₂增益扰动抑制原理
• 2增益扰动抑制控制—i_d=0方法'>6.3.2 PMSM的L₂增益扰动抑制控制—i_d=0方法
• 2增益扰动抑制控制—MTPA方法'>6.3.3 PMSM的L₂增益扰动抑制控制—MTPA方法
• 6.4 本章小结
• 第7章 基于反步法和负载观测器的交流电机控制
• 7.1 反步法控制的基本原理
• 7.2 基于反步法和负载观测器的异步电动机控制
• 7.2.1 转子磁场定向的异步电动机数学模型
• 7.2.2 基于电流滞环PWM和负载观测器的反步控制
• 7.2.3 转子磁链的观测
• 7.2.4 系统仿真及结果分析
• 7.3 基于反步法和负载观测器的永磁同步电动机控制
• 7.3.1 反步法控制器设计
• 7.3.2 负载转矩观测器设计
• 7.3.3 系统仿真及结果分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 交流电机单神经元模型参考自适应控制
• 8.1 单神经元模型参考自适应控制
• 8.1.1 矢量控制的基本原理
• 8.1.2 模型参考自适应控制
• 8.1.3 单神经元模型参考自适应控制器结构
• 8.2 异步电机单神经元模型参考自适应控制
• 8.2.1 单神经元模型参考自适应控制算法
• 8.2.2 稳定性分析
• 8.2.3 仿真实验结果
• 8.3 永磁同步电机单神经元模型参考自适应控制
• 8.3.1 单神经元模型参考自适应控制器算法
• 8.3.2 稳定性分析
• 8.3.3 仿真实验结果
• 8.4 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及承担的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表