（电力电子与电力传动专业论文）永磁直线同步电机递归神经网络Hlt∞gt鲁棒控制.pdf

永磁直线同步电机递归神经网络h 。鲁棒控制 i - lr o b u s tc o n t r o lb a s e do nr e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r ko f p e r m a n e n t m a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( p m l s m ) 船l v os y s t e mi sad y n a m i c c o m p l e xn o n l i n e a rs y s t e mw i t hh i 曲p r e c i s i o na n df a s tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s i t sm a i n p e r f o r m a n c e sa r et h et r a c k i n ga b i l i t yo ft h ei n p u tc o m m a n da n dr e j e e t i o na b i l i t yo ft h e d i s t u r b a n c e s ( i n c l u d i n g i n f l u e n c eo fp a r a m e t e rv a r i a t i o n s ，m o d e le r r o ra n de x t e r i o r d e s t a b i l i z a t i o n s ) a ni - l or o b u s tc o n t r o l l e rb a s e do nl o c a lf e e d b a c kr e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k ( r n n ) i nt h i st h e s i si sp r o p o s e df o rt h ep o s i t i o nt r a c k i n gc o n t r o lo f p m l s m f i r s to fa l l ，u s i n gm a t l a b s i m u l i n k ，ag e n e r a lp o s i t i o nt r a c k i n gs i m u l a t i o nm o d e l o f p m l s mc o n t r o l l e db ys p a c ev e c t o rp w mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h o fp m l s ma n di t sv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l e a f t e r w a r d s ，t h es i m p l ea n dp r a c t i c a lr n nf o r r e a l - t i m ec o n t r o li sp r o p o s e dt oe s t i m a t et h ed y n a m i cm a p p i n go f l u m p e de l e m e n tu n c e r t a i n t y b a s e do nt h eo n l i n ep a r a m e t e rt r a i n i n gr e s u l to fr n n ，t h eq u a d r i cf o r mf u n c t i o no ft h ei - l , r o b u s tc o n t r o l l e ri sc h o s e na n dt h ep e r f o r m a n c e so fs t a b i l i z i n gt h ec l o s e dl o o pa r eo b t a i n e db y t h eb a c kp r o p a g a t i o nm e t h o d 。w h i c hn o to n l ye q u i p st h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rw i t l ls t r o n g r o b u s t n e s su n d e rl a r g ep e r t u r b a t i o no fl o a da n ds y s t e mp a r a m e t e r sb u ta l s oi n c r e a s e st h e l e a r n i n gc a p a b i l i t yo ft h er n n n ep r o p o s e dm e t h o di sc a p a b l eo ft r a c k i n gb o t hs t e pa n d s i n u s o i d a li n p u tc o m m a n d n l et r a c k i n gp e r f o r m a n c e sa r ee n s u e di nt h ec a s e so fp a r a m e t e r v a r i a t i o n s 。e x t e m a id i s t u r b a n c ea n dr n ne s t i m a t i o ne r r o ro n c eah p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n ti sa c h i e v e d + f i n a l l y ，c o n t r a s t e dw i t ht h eh 。r o b u s tc o u t r o l l e ri n t e g r a t e d i p c o n t r o l l e r ，s i m u l a t e di nt h r e ec a s e s ( n od e s t a b i l i z a t i o n s ，i n t e s t i n ed e s t a b i l i z a t i o n s ，e x t e r i o r d e s t a b i l i z a t i o n s ) ，t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sg o o dr o b u s t n e s s ，f a s t r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dr e j e c t i o na b i l i t yo ft h el a r g ep a r a m e t e rc h a n g ea n dl a r g ee x t e r n a l d i s t u r b a n c e k e yw o r d s ：p m l s m ，h 。c o n t r o l ，r e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k ，v e c t o rc o n t r o l ，p o s i t i o n t r a c k i n g - l i ， 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：茳圣扎日期：幽：兰。睁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：型拙、导师签名：专函l 日期：三匹啡 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 ，1 永磁直线同步电机控制策略概述 直线电机是一种可以将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置，在国民经济各 个部门都获得了广泛应用，而且前景十分广阔。在直线电机出现之前，直线运动是借助 于旋转电机的旋转运动，加上机械变换环节而实现的。这种获得直线运动的方式具有“间 接”的性质，缺点很多【l 】。采用直线电机直接驱动较间接驱动具有以下优点：1 ) 没有空 程且摩擦较小；2 ) 高速且长距离定位精度高；3 ) 机械结构简单，可靠性高；4 ) 推力 大【2 】。跟旋转电机相对应，直线电机可分为直线感应电机与直线同步电机。 随着永磁材料性能的不断提高和应用技术的不断发展，永磁直线同步电动机 ( p m l s m ) 以其高可靠性和高效率等优势而逐渐受到青睐1 3 1 。它具有推力强、损耗低、 时问常数小、响应快等特点，能够直接产生连续单向或往复短行程直线机械运动，同时， 它的端部效应更易于控制。因此，p m l s m 广泛应用于工业机器人、机床、半导体制造 系统、) ( - y 驱动装置等1 4 。本文即p m l s m 位置跟踪控制策略的研究。 由于控制系统中没有安装像齿轮或滚珠丝杠这样的辅助机构，p m l s m 的伺服性能 很大程度上受到驱动系统不确定性( 包括力的脉动，参数不确定性，摩擦力，外部负载 扰动，以及未知动态) 的影响。因此，为补偿这些直接加在永磁直线同步电机上的扰动， 在直接驱动装置中迅速、直接而正确地采用复杂控制策略是非常重要的i ”。 当前直线电机的控制策略主要是矢量控制和直接转矩控制。前者使电流分解为两个 独立的分量，以实现单独控制。一般是使磁场分量为零，推力与交轴电流具有线性关系。 电流环与速度环间也存在耦合作用，在动态过程中，采用解耦控制算法，使各变量的耦 合减小到最低限度，以使各变量都能得到独立的控制。后者就是在旋转电机中所说的直 接转矩控制( d t c ) ，摒弃了解耦的思想，取消坐标变换，简单地通过检测电机定子电 压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差 值，实现磁链和转矩的直接控制1 6 】。 考虑到p m l s m 的伺服系统是一种具有高度快速性的动态系统，很难在几十毫秒的 起动或制动过程中以及更为短暂的动态调节过程中实现十分复杂的控制算法。所以在满 永磁直线同步电机递归神经网络h 。鲁棒控制 足主要控制要求的同时，满足对各种扰动的抑制以及对指令的无延时、无超调的跟踪， 选择一种合适的、成功的控制策略，开发高性能的直线电机伺服系统己成为国内外众多 学者的共识，近年来有不少先进的控制策略在p m l s m 的伺服控制领域得到了成功的应 用。各种控制策略大致归纳如下： ( 1 ) 经典控制策略p i d 控制蕴涵了动态控制过程的过去、现在和将来的信息， 根据不同的被控对象适当的整定p i d 三个参数，可以获得比较满意的控制效果。因此， p i d 控制作为一种简单而实用的控制方法，在直线电机伺服控制系统中获得了广泛的应 用。另外解耦控制、s m i t h 预估器等经典控制方法，也得到了较好的应用【7 1 。直线电机 伺服系统是一个多变量、强耦合的非线性控制系统，人们经常采用转子磁链定向的矢量 解耦控制方法，来消除励磁控制回路和推力控制回路之间的耦合，使两个控制回路可以 分别独立受控；s m i t h 预估器与控制器并联，可以使控制对象的时间滞后得到完全的补 偿，这样就免除了时滞带来的不良影响，对解决直线电机控制系统中逆变器电力传输延 时和速度测量之后所造成的反馈滞后影响效果明显。 ( 2 ) 现代控制策略在要求直线电机伺服系统具有高精度高性能的场合，须考虑 对象的结构与参数变化、各种非线性影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确 定因素，此时，就可以采用现代控制策略。目前，自适应控制、鲁棒控制、预见控制、 滑模变结构控制等现代控制策略，开始广泛应用于直线伺服系统中【b 。1 ”。 ( 3 ) 智能控制策略智能控制与传统的经典控制理论、现代控制理论相比，具有 许多独到之处。首先，它突破了经典控制理论中必须基于数学模型的框架，所研究的主 要目标不再是单一的数学解析模型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模型；其次， 智能控制继承了人脑思维的非线性，更适用于控制对象、环境和任务复杂的系统。目前， 在交流伺服系统应用中较为成熟的主要为模糊控制和神经网络控制【l “。 纵观直线电机伺服系统的研究现状，国内外众多学者在寻求高性能直线电机伺服控 制策略方面进行了大量的研究和实践，取得了一些具有实用意义的成果。由于被控对象 的复杂性及要求的控制性能不断提高，采用单一的控制策略难以满足实际系统的控制要 求。因此，直线电机伺服系统的控制策略有许多尚待解决的问题，主要有以下几个方面： ( 1 ) 传统的经典控制方法有着实现简单、控制效率高等优点，而现代控制方法， 沈阳工业大学硕士学位论文 如鲁棒控制、滑模变结构控制等方法对直线电机伺服系统中存在的非线性影响、环境干 扰等时变和不确定因素等有较好的抑制作用。将两者有效地结合，并应用于直线伺服系 统控制，需进一步深入研究。 ( 2 ) 近年来，如何针对直线伺服系统这个复杂的对象，寻求新的智能控制方法， 寻求新的突破，使本领域研究的重点内容之一。 ( 3 ) 如何将智能控制与其它控制相结合，形成更实用、性能更优越的直线伺服控 制系统，将是今后直线伺服系统控制领域研究的重点之一。尤其是自9 0 年代以来，伴 随着高性能数字信号处理器( d s p ) 、微处理器和专用集成电路( a s i c ) 等技术的飞速 发展，为复杂控制策略的实现奠定了物质基础。 1 2 相关技术研究现状 1 2 1h 。控制理论 鲁棒控制的研究可以追溯到1 9 2 7 年b 1 a c k 针对具有摄动的精确系统的大增益反馈 设计思想【1 5 】。自上世纪6 0 年代，通过结合实际工程问题和数学理论，鲁棒控制理论才 取得显著进展【1 6 l ，形成完整的研究方法：研究系统传递函数( 矩阵) 的频率域方法。 在1 9 8 1 年，z a m e s 进一步发展了1 9 6 6 年提出的基于系统输入输出传递函数的稳定 性理论。不单考虑了系统的稳定性，同时利用优化技术降低了系统对不确定性扰动的敏 感性，从而首次提出了利用控制系统某些信号间传递函数( 矩阵) h 。范数作为优化指标 的设计思想，提出了h 。最优控制概念。自从z a m e s 提出控制系统h 田优化设计方法以后， 有众多的学者投身于h 。优化设计理论研究，并发现很多控制系统的鲁棒性分析和综合 问题，均可归纳为标准的如优化设计问题，如鲁棒稳定性、跟踪、鲁棒镇定、加权敏 感性和双灵敏度设计等【”】。 在随后研究中，引进状态空间方法是h 。控制理论的主要研究进展，特别是1 9 8 8 年 夏，d o y l e 等在全美控制会议上发表著名的d g k f 论文【垌，证明了可以通过解两个黎卡 堤方程得到h 。控制器，且其阶数与被控对象的阶数相等，从而导出h 。控制理论标准问 题的一种便捷的解法。d g k f 论文标志着h 。控制理论的成熟【1 “。 近十几年来，关于h ，控制理论的研究工作并没有太大的突破，至今为止，h 。控制 器的设计方法主要依赖于上述解法。但设计理论的应用者们积极同美国m a t hw o r k s 公 永磁直线同步电机递归神经网络h 。鲁棒控制 司合作，开发了基于m a t l a b 的鲁棒控制软件包，使战控制理论真正应用于工程设计 实际。 h 。控制理论已应用于电机控制领域。文献 1 1 鉴于交流伺服系统工作过程中存在的 各种不确定性因素，系统控制器的设计采用h 。鲁棒控制算法，以抑制系统的外界扰动 以及被控对象的模型不确定性，并进行了系统仿真和试验台试验研究。文献 1 2 1 根据所 建立的机理模型和鲁棒调节器理论设计了风力发电机组的鲁棒控制系统，可以保证受控 系统的参数在一定范围内变化时，系统仍具有良好的闭环稳定性及静态无差性。文献 1 3 1 则针对永磁直线同步伺服电机直接驱动伺服系统，提出了一种将零相位误差跟踪控制和 h 。鲁棒控制相结合的二自由度鲁棒跟踪控制策略。以解决系统的快速而精确的跟踪控制 性能和抗扰性能之间的矛盾。文献【1 4 】使用了战鲁棒控制理论设计反馈控制器，在保证 闭环系统稳定的前提下，抑制模型摄动及外部干扰对系统的影响。文献 1 8 n 用比控制 理论的干扰抑制方法对汽轮机和水轮机调速系统的附加控制进行了研究。 通过文献研究，可以看出，h 。控制器有如下优点：首先，鲁棒控制器设计被赋予了 清晰的理论：其次，尽管它回到了输入输出模型，但仍保留了状态空间方法中某些计算 上的优点；再者，设计者可以在很大程度上控制由系统产生的频率域响应形状，从而使 该方法易被设计人员所接受。巩鲁棒控制可使系统具有稳定的鲁棒性以及良好的干扰抑 制性能，但无法保证系统具有快速而精确的跟踪控制性能，这是在其应用中需要解决的 问题。 1 22 递归神经网络 通常采用的前向网络所建立的输入偷出关系往往是静态的【1 9 1 ，而实际应用中的被 控对象通常是时变的。因此，采用静态神经网络建模就不能准确地描述系统的动态性能。 近十多年来，描述系统动态性能的神经网络受到了极大重视，它具有反映系统动态特性 和存储信息的能力，能够完成这些功能的网络要求存在信息延时，并具有延时信息的反 馈。有别于前向网络，这类网络被人们称为递归神经网络或反馈神n n n t 2 0 2 1 1 。递归网 络存储信息的特性正是来源于网络信号的反馈，信号递归使得网络在k 时刻的输出状态 不仅与k 时刻的输入状态有关，而且还与k 时刻以前的信号有关，从而表现出网络系统 的动态特性【2 2 】【2 3 】。 沈阳工业大学硕士学位论文 递归神经网络优点明显，一出现就引起广泛的重视，并被应用于电器控制等诸多领 域。起初，递归神经网络大多用于电机智能c a d 和电机建模的研究1 1 2 4 】【2 5 1 。自1 9 9 9 年，递归神经网络这种崭新的控制方法更多应用于电机转子位置检测、估计和电机的自 适应控制方面t 2 6 1 1 2 7 2 8 。 为了适应多种不同动态性能的要求，已提出几十种类型的递归神经网络结构。各种 网络由于结构上的不同，必然导致输入输出关系的相异，因而表现出不同的动态变化性 能。但由于网络中存在着递归信号，网络状态随时间的变化而变化，其运动轨迹必然存 在着稳定性问题。在使用递归网络时，必须对其稳定性进行专门分析与讨论，合理选择 网络的参数变化范围，才能确保递归网络的正常工作【2 9 】。 递归神经网络可分为全连接型递归神经网络和局部连接型递归神经网络。由于前者 参数过多，使得此类网络中存在以下缺点：1 ) 网络不够稳定，网络的输出在有限的输 入下可能趋向于发散；2 ) 收敛时间过长，可能需要很长的时间学习，输出才能达到稳 定值，在处理非线性系统的在线辨识和控制问题时，此类网络往往不能很好完成任务： 3 ) 训练出现波动，影响系统的学习性能。局部连接型递归神经网络可以在一定程度上 解决这些问题。而对于更为复杂的非线性动态系统，由于全连接型递归神经网络的参数 众多，可以存储更多的历史数据，能够更好地完成辨识和控制f 3 0 j 。 以上面论述可以发现两种控制方法具有明显的优缺点，但可以互补。针对数学建模 已基本成型的永磁直线同步电机，可将两种控制方法合理构建在一起，设计出鲁棒稳定 性能和动态跟踪性能都非常优越的控制器。 1 3 研究意义和主要内容 在p m l s m 控制系统中，虽然其机械结构得到了简化，却增加了电气控制难度，然 而用软件和微电子器件取代精度要求高而又笨重的机械部件获得更高性能显然是值得 的。对于高速高精度控制，必须考虑参数摄动及外界干扰等不确定因素对伺服系统的影 响，寻求更有效的控制策略。目前，对于具有较强非线性、耦合性及时变性的直线交流 伺服系统，专家学者们提出了几种控制方案，解决了一些问题，却又发现了新的矛盾， 如有的方案动态性与鲁棒性难以兼顾，有的算法过于复杂而不能实用。因而研究一种能 兼顾系统动态性能要求和鲁棒性能要求、工程实用的高性能伺服控制策略具有重要理论 永磁直线同步电机递归神经网络h 。鲁柞控制 意义和应用价值。本课题基于辽宁省高等学校优秀人才基会资助项目“特种电机及其控 制策略研究( r c 0 4 1 4 ) ”和辽宁省自然科学基金项目“无传感器永磁直线电机直接推 力智能控制综合性研究( 2 0 0 4 2 0 2 7 ) ”。 论文以p m l s m 作为研究对象，在认真学习和总结现有国内外研究成果的基础上， 提出采用可对复杂动态过程进行建模和仿真的递归神经网络来估计集总不确定性，而后 将结果输入h 。鲁棒控制器中，达到事先确定的比性能要求，确保控制系统稳定并具有 良好的跟踪性能。论文结构安排如下： 第一章概述p m l s m 的控制策略，总结了如控制理论和递归神经网络的发展现状， 提出论文研究的意义和主要内容。 第二章建立p m l s m d - q 数学模型，简述其矢量控制原理和控制系统的实现，进行 仿真分析。 第三章在p m l s m 中引入了比鲁棒控制方法，在具体阐述比鲁棒控制的原理和特 点的基础上，设计了一种h 。鲁棒控制器。 第四章针对p m l s m 的控制系统中的参数扰动和附加扰动，设计了一种基于递归神 经网络的h 。鲁棒控制器，详细论述了控制器的原理、结构、数学模型，并进行了控制 器的稳定性分析。 第五章，在对控制器进行设计和对被控对象数学模型分析的基础上，适当选用参数， 利用m a t l a b s i m u l i n k 对所设计的两种控制器进行仿真分析，仿真结果验证了所提 出控制方法的有效性。 沈阳工业火学硕士学位论文 2 永磁直线同步电机及其矢量控制 2 1 永磁直线同步电动机d - q 轴数学模型 在建立永磁直线同步电动机数学模型时仅考虑各变量的基波分量，将永磁体等效为 一个恒流源，并假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 初级上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 反电动势是正弦； ( 5 ) 假设含有永磁体的区域是均匀的； 保持每相功率不变，建立模型的基本思想如下： ( 1 ) 在定子坐标系中，通过3 2 变换将定子三相电流( 、i , b 、f 。) 变换为正交 的两相电流( f 。、i p ) ； ( 2 ) 将定子坐标系中的两相正交电流( 乇、名) 转换为动子坐标系中的两相正交 电流( 毛、i q ) ： ( 3 ) 在动子坐标系中列写出定子电压平衡方程。 由于永磁体产生的磁动势为常值，在次级上无阻尼绕组，将d q 坐标系的d 轴固定 在永磁体的n 极轴线上，q 轴超前d 轴9 0 。，该坐标系在空间同步速为皱。在d - q - 轴同 步坐标系中，p m l s m 的电压和磁链方程为【3 1 1 ： u d = r s l + d + p g d 一敛妒q ( 2 1 ) “q = r s i q + p g q + 0 9 e ( 2 2 ) 式中p = d d t ，其中 甄= l d i d + 厶 ( 2 3 ) y 。= l q i q ( 2 4 ) 妒p m = 上p m ( 2 5 ) 永磁直线同步电机递门神经网络h 。鲁棒控制 致2 彩r ( 2 6 ) 式中“d 、u q 分别为动子电枢d 、q 轴电压，i 。、i 。分别为动子电枢d 、q 轴电流，、眠 分别为动子电枢d 、q 轴磁链，厶、。分别为动子电枢d 、q 轴电感，y 。为永磁体基 波励磁磁链，i p m 为等效永磁体电流，p m 为等效永磁体电感，r s 为动子电枢电阻，吐为 电角速度，( - o r 为动子角速度，玎。为级对数。 综合式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，写成矩阵形式有【3 2 】： 阶 胄箸4 箍阱 刘 晓， 另外，由于 q ：竺( 2 8 ) 可以得到电磁推力为： e = 芸怖p 小嘶) = 勃p p m i q - k ( l d - - l q l d i q ( 2 9 ) 动子的动态方程为： 印v = e e l 一九一d v ( 2 1 0 ) p x = v( 2 1 1 ) 式中v 为动子线速度，f 为节距，m 为动子质量，五为负载阻力，日为端部效应阻力， d 为粘滞摩擦系数，x 为动子线位移。 2 2 永磁直线同步电机矢量控制 2 2 1 矢量控制的基本思路 矢量控制思想是由德国学者勃拉希克于1 9 7 2 年提出的1 3 3 】，首先是应用到感应电动 机中。在直流电机中，双闭环调速系统具有优良的静、动态调速特性，可设想交流三相 电机的m - t 两相相互垂直的绕组模型，绕组中的电流f m 、i 。与三相电流f a 、i b 、f 。之问 存在确定的关系，因此，把f m 、i ，作为控制量，通过矢量变换得到两相交流控制量t 、 i 口，然后通过两相- 三相矢量变换得到三相电流控制量f 。、i 。、i 。，再用其来进行交流电 沈阳工业大学硕士学位论文 机的运行，从而实现交流电机电磁转矩的瞬时控制。以上叙述的矢量变换控制的基本思 想和控制过程如图2 1 所示。 lp i 醚n a 图2 1m t 坐标系与a b 坐标系 f i g 。2 1m ta n da b r e f e r e n c ef r a m e 矢量控制包括三个主要过程，首先在d q 坐标中将其直流机化，然后将虚拟的d q 直流机还原成实际的三相交流电机，最后通过一定的控制使实际电流等于指令电流。这 种控制方法的核心是控制定子电流，进而控制磁动势。 矢量控制按照控制目标可以分为：毛= 0 控制、c o s 妒= 1 控制、总磁链恒定控制、 最大转矩电流控制、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制等。它们各有各 的特点，其中f d = 0 控制最为简单实用，这种定向方式对于小容量交流伺服系统，特别 是永磁同步电动机非常适用。对永磁直线同步电机多采用这种控制策略，可以获得良好 的去耦特性，使每安培电枢电流产生的电磁转矩最大，实现了交流电机对直流电机的严 格模拟，以得到直流电机优良的调速性能。 2 2 2 永磁直线同步电机矢量控制 正弦波永磁同步电动机的矢量控制也是一种基于磁场定向的控制策略，由于动子永 磁体所提供的磁场恒定，在已建立的永磁直线同步电机d - q 轴数学模型中，定子电流向 量与永磁体励磁磁极产生的磁通成直角方向，即仅有q 轴分量而无d 轴分量，可令动子 永磁直线同步电机递归神经网络儿鲁棒控制 电枢d 轴电流i d = 0 ，此时d 轴永磁直线同步电机的电磁推力就退化为： t = 芸w 。 ( 2 1 2 ) 由于在永磁直线同步电机中，驴，p 。为常数，电机推力只与电枢交轴电流的幅值成正 比，可将电磁推力简化成如下形式： e = 墨 ( 2 1 3 ) k f = 要妒 ( 2 “) 式中，耳为电磁推力系数，f ：为闭环电流指令。 只要在逆变器中控制好定子电流的幅值和相位，理论上就会得到满意的推力调速控 制特性。但在永磁直线电机的矢量控制中，电流和推力的脉动很大，而且是不可避免的。 为了减小脉动，提高控制性能，在矢量控制系统中，用空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 来替代传统的逆变器。 s v p w m 调制从电机的角度出发，着眼于如何使逆变器瞬时输出的三相脉冲电压所 合成的空间电压矢量与期望输出的三相正弦波电压合成的空间电压矢量相等。空间矢量 调制将一个控制周期z 分为三份，在每份时间内都可选择8 个电压矢量中的任意一个， 这样就能在每个控制周期内，用三个电压矢量来合成任意幅值和任意方向的电压矢量， 达到有限逼近任意给定的电压矢量的目的，提高控制精度和有效性。这类似于预测的控 制思想，力图通过该控制周期内的努力，使得下一个周期能够实现观测推力跟踪给定值， 从而控制推力在每一个周期内变化的大小及方向。采用空间矢量脉宽调制技术，不仅可 以使电机的推力脉动降低，电流波形畸变减少，而且与常规的s p w m 技术相比，其直 流电压的利用率有很大的提高，易于实现数字化。 s v p w m 的实时调制计算步骤可归纳为h 7 】： ( 1 ) 判断参考电压矢量兰。处于六个扇区中的哪一个； ( 2 ) 计算相邻各电压矢量的作用时间； ( 3 ) 生成p w m 波形。 目前最流行的是七段式空间电压矢量p w m 波形和五段式空间电压矢量p w m 波形。 沈阳工业大学硕十学位论文 本文采用的是七段式空间电压矢量的形式。 在永磁直线同步电机矢量控制系统中，于控制回路中并入速度或位置负反馈，可以 保证整个系统的稳定运行。由直线光栅尺采集的数据，经过位置和速度控制器计算提供 参考电流f ：；根据霍尔传感器检测出定子a 相绕组与b 相绕组的实际电流、气，经过 坐标变换得到d 、q 轴实际电流屯、i q 。将参考电流、= 0 与i q 、i 。相减，差值代入 电流调节器中，计算出d 、q 轴电压”。、，再经过d q a p 坐标变换，结果即s v p w m 逆变电路的控制量“。和甜。，进而得到输入电机中的三相控制电压，完成永磁直线同 步电机的矢量控制。控制系统的框图如图2 2 所示。 l 图2 2 永磁直线同步电机矢量控制系统框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo f p m l s m v e c t o rc o n t r o l 直线光栅 尺和霍尔 传感器 由上述分析可知，在电机的运行过程中，电枢电流作正弦变化，电枢的直轴电流分 量为零，实现了解耦控制，达到了线性化的目的。而电机的电磁推力严格地和电流幅值 成正比，控制推力的大小实际上就落实到控制电枢电流幅值的大小。有此推力后，电机 永磁直线同步电机递归神经网络h 。鲁棒控制 将会做直线运动，并始终保持电枢合成电流( 磁动势) 矢量超前永磁体直轴9 0 。电角度， 系统正常运行。 2 3 永磁直线同步电机矢量控制仿真 2 3 1 仿真框图 由永磁直线同步电机数学模型( 式( 2 1 ) ( 2 1 1 ) ) ，可以利用m a t l a b s i m u l 仆 仿真环境，方便地建立起系统仿真模型，如图2 3 所示。 7 l j 耻笥 嚣舌窑 迭 | 百r ”“ f f 目 - - b 早 一 。f f 2 吼 u 呻回 1 f - _ 一广 i u 1 ：| j 图2 3 永磁直线同步电机控制系统仿真框图 f i g 2 3s i m u l a t i o nm o d e lo f p m l s mc o n t r o ls y s t e m 由上文对永磁直线同步电机工作原理分析可知，永磁直线同步电机数学模型可由电 压平衡方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和机械运动平衡方程( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 组成。因此，可以分别 建立相应的仿真框图，并在子模块的基础上封装成便于仿真使用的永磁直线同步电机仿 真模型。同理，矢量控制的数学模型主要可以分解为d - q 轴与旋转坐标之间的变换及 s v p w m 空间电压矢量控制两部分，仿真模型也可以相应地建立起来。 2 3 2 仿真参数 永磁直线同步电动机的参数为：m = o 1 3 k g ，d = 5 2 3 n s m ，f = 3 6 m m ，r 。= 1 2 f l ， l d = 1 8 7 4 m h ，l 。= 1 8 7 4 m h ， 妒m = o 2 8 6 w b ，电机额定推力为4 0 n 。取仿真步长 小于采样周期，这样适合于电机控制系统参数变化较快的情况，保证了仿真精度。采用 定步长法( f i x e ds t e p ) 进行仿真，基于s v p w m 的p m l s m 矢量控制系统的给定位置 沈阳工业大学硕士学位论文 信号，= 0 0 0 5 s i n ( 4 耐) ，负载推力在0 4 s 时由0 突变为2 0 n ，仿真时间设为1 5 s 。电流厶 的p i 参数为：k p = l ，k i = o 2 ；电流l 的p i 参数为：k p = 1 8 ，k i = 1 8 0 ：速度p i 控制 器参数为：k p = 5 0 ，k i = 5 0 0 ：位置p i 控制器参数为：k p = 6 0 ，k i = 6 0 0 。 2 3 3 仿真结果 仿真结果如图2 4 2 7 所示，分别为电机输出电磁推力，动子电枢d - q 轴电流、电机 位置响应曲线和电机位置跟踪误差。 础蜘“锄越 。皿础础矗衄i1 | 阡_ | l f m 丌 唧i 。唧 邢f p - _ 盯研月可- _ l 胛 1 1 一t 一一一1 一一1 一一一r一一一t一一一 图2 4 电机输出电磁推力 f i g 2 4t h r u s tf o r c e 图2 6 电机位置响应 f i g 2 6p o s i t i o nr e s p o r l ! u 且址kd j i i i 山- 讪“山 山- “山山k 山j j j - 叫- 胛即r p | l | 1 町- _ 州 。1 1 l r ”1 7 i 1 ”i7 7 一v 一 图2 5 电机动子d - q 轴电流 f i g 2 5d - qa x e 3c u r l t n t $ 图2 7 电机位置跟踪误差 f i g 2 7t r a c k i n gp o s i t i o n e r r o r 永磁直线同步电机递归神经网络h 曲鲁棒控制 3 巩鲁棒控制理论及其在永磁直线同步电机控制中的应用 3 1h 。鲁棒控制理论 3 1 1h 。控制理论的提出 3 0 年代开始发展起来的古典控制理论总的来说是一种试凑法，在一定程度上能方便 地处理单变量控制系统的鲁棒性问题。但是上世纪6 0 年代发展起来的以l q g 最优控制 理论为代表的近代线性系统理论，为改善系统鲁棒性做出了很大贡献，但需要完全依赖 于描述被控对象动态特性的数学模型叫，使控制器设计受到了限制，专家学者们开始寻 求如下鲁棒控制问题的解： ( 1 ) 受控对象不是由一个确定的模型描述，仅知道其模型属于某个给定的模型集 合； ( 2 ) 外部信号( 包括干扰信号，传感器噪声和指令信号) 不是具有已知特性的信 号，仅知道其属于某个给定的信号集合。 针对上述控制系统设计过程中应采用的性能指标和设计方法，加拿大学者z a m e s 于1 9 8 1 年提出了以控制系统内某些信号间的传递函数( 矩阵) 的h 二范数为优化指标的设 计思想【1 5 1 。考虑如图3 1 所示控制系统， 图3 1 满足( 1 ) 和( 2 ) 控制系统 f i g 3 1a c o n t r o ls y s t e ms u f f i c i n g ( 1 ) a n d ( 2 ) 受控对象模型属于如下模型集合： g = g g ) ：i c 如- ) 一g o d 出】 l 掰o 留淞，c o c r ( 3 1 ) 其中g 。o ) 是受控对象的标称模型，肼g ) 是稳定的实有理函数，r 为实数集合。对任意 沈阳工业大学硕士学位论文 的g b ) g ，定义受控对象的模型! 摄动为： g ) = g 0 ) 一g o ( s ) ( 3 2 ) 由n y q u i s t 稳定判据可知，x g ) 能使摄动后的系统稳定的充分条件是： i 【，m 讧( ，滩+ o o u , o ) k u , o ) l - i 1 ，v t o r ( 3 3 ) 那么对于g 中的所有模型，k g ) 均是系统稳定的充分条件是k o ) 使g o g ) 稳定且： l 聊( ，) k ( ，+ g 。( ，珊) k c ，) r 1 i l ，v d o r ( 3 4 ) 上述不等式等价于 s u p i 聊u 国皿( ，x 1 + g 。( ，k ( ，) r l l 1 ，v r o r ( 3 5 ) 即 l i 聊g 皿g x l + g o o ) 足g ) 】- 1 l 。s l ( 3 6 ) 如果g 中的任意模型g g ) 的不稳定极点的个数( 计及重数) 均与标称模型g o o ) 的不 稳定极点的个数相等的话( 而不要求g ) 为稳定) ，对于任意g g ) g ，k g ) 使系统稳 定的充分必要条件是： k g ) 使g 。g ) 稳定且0 聊g ) k g + g 。g 皿g ) 】_ 忆s l 因此，对于给定的模型集合g ，求取鲁棒稳定化控制器k o ) 的问题，便转换为要在 使g 。g ) 稳定的控制器集合中求取使i i 脚g 速g 砸+ g 。o 溶g ) 】。1 k - 0 为加权系数。 最优控制理论的结果表明，通过解适当的黎卡提( r i e c a t i ) 方程，可以得到使，为 最小的控制器k 。但是，在这个设计问题中，并没有考虑干扰的影响。即性能指标( 3 9 ) 的最优性只能在被控对象完全可以由式( 3 7 ) 精确描述时才能得到实现。由于实际系统 中存在干扰等不确定性，使得这种最优设计几乎无法实现。 为了克服这一点，在被控对象的模型中，引入干扰项并考虑干扰对系统响应特性的 影响。假设被控对象由下式给出： 量= a x + b 2 u + b i ( 3 1 0 ) 其中，国为单位脉冲干扰信号。可以定义辅助出入信号为： z = 阱+ 阱 限 式中o ”表示矩阵平方根，即满足q = q 牡q 啦。则( 3 9 ) 式的j 可以表示为： ，= f z 7 0 k o ) d r + f h 7 0 如( r ) d f ( 3 1 2 ) 其中矗“) 为式( 3 8 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 构成的闭环系统的脉冲响应函数。 根据帕斯沃尔( p a r s e v a l ) 恒等式，上式可以表示为【3 3 】： ，= 去p 7 0 国) d = 去p r 咖妒7 ( ，) i 1 3 ) 其中，( ) 为0 , 1 到z 的闭环传递函数。式( 3 1 3 ) 正是有理函数丁( s ) 的日：范数的定义式： 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 = 去p p o 沙1 【，出l 啦 t 4 ) 因此上述设计闯题等价于求反馈控制器k 使闭环系统稳定，同时使f p g 淝达到最小 的问题。实际上可以证明，这个问题等价于现代控制理论中的l q g 问题。所谓的l q g 设计问题就是，对于被控对象( 3 1 0 ) ，假设干扰f 0 为零均值、单位方差白噪声信号，求 反馈控制器k 使得性能指标 ，。l i m l f x 7 ( f 胁o ) + 2 ( d d r 】 ( 3 1 5 ) 达到最小，同时使闭环系统渐近稳定。 由此可知，l q g 设计理论只考虑了一种干扰，即单位脉冲( 或者说功率谱密度为i 的白噪声) 信号。但是，工程实际中的干扰很难用这种单一的白噪声信号描述。理想的 状况应该是考虑干扰信号的集合，即，假设干扰信号是不确定的，但是属于某个可描述 集。例如定义干扰集合为： 扣枷牡2 m 0 。即，求控制器量使得满足 f r 协( ，) + 2 0 冲， 0 达到最小。显然，越小则上式左端也越小，属于，的任意干扰功的影响将被 抑制在3 - 程允许的水准以下。 同上所述，由帕斯沃尔恒等式，上式可以表示为： 两i i z l l 2 ，y ，v c o e l 2 , 。 ( 3 1 8 ) 如果我们定义 永磁直线同步电机递归神经网络h 。鲁棒控制 i i r 1 l 。s 叫u pi i z l 吁l , ( 3 1 9 ) 其中，。0 ) 为由m 至z 的闭环传递函数，则式( 3 1 8 ) 就可以表示为： k 。 ， ( 3 2 0 ) 而设计使满足上式最小的问题就等价于以式 以2 艇k 。 ( 3 2 1 ) 定义的厶为目标函数的最优化问题。式中s 。表示使闭环系统渐近稳定的控制器的集合。 实际上式( 3 1 9 ) 就是有理函数阵乙g ) 的日。范数的定义。而求使l 为最小的控制 器k 正是典型的玩最优设计问题。 进一步考察式( 3 1 9 ) ，可得： i l r ( 4 1 。= 粤臀= 酬s u r p l i i ：= 肼i i ( 3 2 2 ) 由此可知，l q g 仅考虑单一干扰下的性能指标：的最优性。而日。控制则考虑干 扰集合，并保证对于该集合最劣的性能指标 ，为最优。这是。性能指标最大的一 - s m u h p ；- i i z l l h 个特点。 3 1 3h 。范数与标准h 。控制 h 。控制的性能指标使用系统适当的闭环传递函数的h 。范数描述，或者要求闭环传 递函数的h 。范数最小( 最优问题) ，或者要求小于给定值( 次优问题) ，都是用m 范数 的约束条件来描述。 传递函数矩阵g o ) 的如范数定义如下： i i g o 。= s u p 6 二【g ( ，脚) 】 ( 3 2 3 ) 其中k ( g ) = k g g 1 2 代表该传递函数的最大奇异值，g 为g 的转置共轭阵，k