基于端口受控哈密顿模型的永磁同步直线电机无源控制

摘要

永磁同步直线电机不需要中间传动装置，能够直接将电能转换成机械运动的机械能，并具有高速、高效、高精等优点，在数控机床等领域得到广泛应用。由于它结构的不封闭，引起端部效应等，相比于旋转电机，控制难度加大，因此要寻求更加优异的控制方法对其进行控制研究。近年来，一种基于互联与阻尼配置的无源控制方法受到高度重视，并得到很快的发展，其主要特征是被控对象具有端口受控耗散哈密顿结构，该方法以系统总能量作为哈密顿函数设计控制器，并具有明确的物理意义、参数容易调节、闭环系统稳定于平衡点等优点，对工业控制有很大帮助。
　　本文对直线电机的发展、国内外研究现状、控制策略进行了回顾，并简单介绍了直线电机的分类，在合理假设的条件下，运用坐标变换的方式建立了永磁同步直线电机的电磁和机械运动数学模型。根据端口受控耗散哈密顿系统理论，把永磁同步直线电机看成一个二端口(电气端口和机械端口)装置，引入互联与阻尼配置，设计了系统的无源控制器，针对负载阻力未知的情况，构造了负载阻力观测器。为了达到更好的速度控制效果，采用分层控制策略，内环仍采用互联与阻尼配置的无源控制，外环将H∞鲁棒控制方法应用到永磁同步直线电机控制系统中。依据Lyapunov稳定性定理，分析了所设计控制器的稳定性问题，并在MATLAB/Simulink平台上，搭建模块并对带观测器的无源控制和H∞鲁棒控制的无源控制方法进行仿真分析。仿真结果表明，加负载阻力观测器的无源控制器可以有效的抑制负载阻力未知带来的扰动，H∞鲁棒控制方法的引入，能够进一步提高系统的抗扰能力，增强系统的鲁棒性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 直线电机概述

1.3 永磁同步直线电机的国内外研究现状

1.4 控制策略的发展

1.5 课题的主要研究内容

2 端口受控耗散哈密顿系统的非线性无源控制理论

2.1 哈密顿系统简介

2.2 耗散性与无源性

2.3 端口受控耗散哈密顿系统

2.4 端口受控耗散哈密顿系统的IDA-PBC方法

2.5 本章小结

3 永磁同步直线电机建模

3.1 永磁同步直线电机的工作原理

3.2 永磁同步直线电机的坐标系及坐标变换

3.3 永磁同步直线电机数学模型的建立

3.4 本章小结

4 永磁同步直线电机互联与阻尼配置的无源控制

4.1 端口受控耗散哈密顿系统的互联与阻尼配置的控制器

4.2 永磁同步直线电机端口受控耗散系统模型建立

4.3 永磁同步直线电机端口受控耗散哈密顿系统控制器设计

4.4 永磁同步直线电机负载阻力已知和未知时的MATLAB仿真和分析

4.5 本章小结

5 永磁同步直线电机的H∞ 鲁棒无源控制

5.1 鲁棒控制简介

5.2 H∞ 鲁棒无源控制器设计

5.3 永磁同步直线电机的H∞ 鲁棒无源控制的MATLAB仿真和分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文以及研究成果