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浙江丁业人学硕士学位论文 基于神经网络优化的永磁同步直线电机滑模控制研究 摘要 滑模变结构控制具有快速性、鲁棒性和实现简单等优点，但是在 切换面上存在着“抖振”现象；神经网络具有学习和适应不确定性系 统动态特性的能力。本文以永磁同步直线电机为研究对象，针对滑模 控制存在“抖振”的原因，考虑通过神经网络的实时补偿来优化滑模 变结构控制，削弱“抖振”，实现系统对给定速度( 位移) 信号的快速、 精确响应，提高系统的鲁棒性。 论文首先在对永磁同步直线电机及矢量控制的工作原理研究分 析基础上，在m a t l a b s i m u l i n i ( 环境下建立了电流滞环跟踪型s p w m 矢量控制的永磁同步直线电机通用仿真模型。然后从三个角度出发， 用神经网络方法来优化滑模变结构控制：滑模一神经双自由度控制 器。滑模控制器的快速性保证系统具有良好的动态跟踪性能；用神经 网络方法设计输出反馈控制器，对系统参数摄动和外在阻力进行抑 制，并削弱滑模控制引起的系统抖振。基于神经网络观测器的滑模输 入控制器。由于普通线性观测器对系统参数摄动的适应性较差，在线 性观测器的基础上并联了一个神经网络观测器，两者输出相加作为最 终的观测值实现补偿，从而进一步提高伺服精度。基于r b f 函数神经 网络补偿的滑模位置跟踪控制器。采用r b f 函数神经网络来对系统的 不确定因素及扰动进行学习，并进行实时补偿控制，消除大幅“抖振” 对系统的影响，改善系统的性能。 最后，对每种控制方案都在构建的永磁同步直线电机通用仿真平 台上进行了仿真研究，从而验证了各个控制方案的有效性。 浙江工业大学硕士学位论文 关键词：永磁同步直线电机，滑模变结构控制，抖振，神经网络， 推力观测器，径向基函数 i i l 塑垩三些查竺堡圭堂垡堡兰一 r e s e a r c ho ns l i d i n gm o d ec o n t r o l f o rl i n e a rp e r m a n e n tm a g n e t i s m s y n c h r o n o u sm o t o r s b a s e do nn e u r a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o n a b s t r a c t s l i d i n gm o d ec o n t r o lh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fc e l e r i t y , r o b u s t ，a n d e a s yt oi m p l e m e n t a t i o n ，b u tt h ec h a t t e r i n ge x i s t si nt h es l i d i n gm o d e n e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls t r a t e g yh a st h ea b i l i t i e so fs e l f - l e a r n i n ga n d a d a p tt o t h es y s t e mu n c e r t a i n t i e s f o rl i n e a r p e r m a n e n tm a g n e t i s m s y n c h r o n o u ss e r v om o t o r s ( l p m s m ) ，d u et ot h ec a u s eo fc h a r e d n g ， u s i n gt h en e u r a ln e t w o r k - b a s e dc o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e dt o o p t i m i z et h es l i d i n gm o d ec o n t r o la n dw e a k e nt h es y s t e mc h a r e r i n g ，s o t h a tt h es y s t e mc o u l dr a p i d l ya n da c c u r a t e l yt r a c kt ot h ec o m m a n ds i g n a l f i r s t ，u s i n gt h em a t l a b s i m u l i n k ，ag e n e r a ls i m u l a t i o nm o d e lo f l p m s mc o n t r o l l e db ys p w mv e c t o rc u r r e n t s l u g g i s h t r a c k i n g i s e s t a b l i s h e dw i t hb l o c kd i a g r a mt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f l p m 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 s t h e nt h et h e s i si n t r o d u c et h r e e m e t h o d so fo p t i m i z i n gt h es l i d i n gm o d ec o n t r o lb yt h en e u r a ln e t w o r k ：a t w o - d e g r e e f r e e d o mc o n t r o l l e r 、v i t i ln e u r a ln e t w o r k s l i d i n gm o d ec o n t r 0 1 s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r sc e l e r i t yc o u l dk e e pt h et r a c kc a p a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，a n dd e s i g n i n gt h ef e e d b a c kc o n t r o l l e ru s i n gn e u r a ln e t w o r kt o r e s t r a i nt h ei 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 sa n dd i s t u r b a n c e ，a n d w e a k e nt h ec h a r e r i n g a s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rb a s e do nn e u r a ln e t w o r k o b s e r v e r ，b e c a u s et h el i n e a ro b s e r v e rh a sw e a ka d a p t a b i l i t yt op a r a m e t e r v a r i a t i o n s ，w ed e s i g n i n gan e u r a ln e t w o r ko b s e r v e rp a r a l l e l st ol i n e a r 浙江工业大学硕士学位论文 o b s e r v e r , t h e nu s i n gm es u m m a t i o nt oc o m et r u ec o m p e n s a t e ap o s i t i o n t r a c k i n gs l i d i n g m o d ec o n t r o l l e rb a s e do nr b fn e u r a l n e t w o r k c o m p e n s a t i o n ，u s i n gr b fn e u r a ln e t w o r kl e a r n i n gt h eu n c e r t a i n t i e sa n d d i s t u r b a n c e ，s ot h a tc o m p e n s a t e sr e a lt i m ea n dw e a k e nt h ee f f e c to f c h a t t e r i n gt os y s t e m a tl a s t ，t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hr e s u l tw h i c hb a s e do nt h eg e n e r a l s i m u l a t i o nm o d e lo fl p m s m ，s h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e c o n t r o l s t r a t e g i e st h a td e s i g n e di nt h i sp 印e r k e y w o r d s ：l i n e a r p e r m a n e n tm a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o r s ，s l i d i n g m o d e c o n t r o l ，c h a t t e r i n g ，n e u r a ln e t w o r k ，l o a dt h r u s to b s e r v e r , r b f v 浙江工业大学硕十学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 利绷 目期：聊好，二月zz 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 套潲 铬 日期：心年 日期：。州年 ，l 月zz r 日 一月。日 浙江1 二业火学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 现代数控加工技术正朝着高速度、高精度的趋势发展。虽然数控系统发展至 今，经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、中大规模集成电路几个阶段，但 数控系统伺服进给机构的基本传动形式仍然是“旋转伺服电机+ 滚珠丝杠”，这 种结构存在的一些固有缺陷影像了现代数控加工技术向高速度、高精度方向发展 ”1 。为满足现代数控加工技术发展的需要，采用直线电机的直线驱动方式脱颖而 出。直线电机打破了传统的“旋转伺服电机+ 滚珠丝杠”直线进给传动模式，具 有许多独特的优点： ( 1 ) 速度高，直线电机实际可用最高速度可达2 4 m s ，而滚珠丝杠的进给 速度一般不超过0 6 7 m s ； ( 2 ) 惯性小，加速度特性好，可达( 2 l o ) g ，易于高速精确定位，而滚珠丝 杠最大加速度只有( o 1 0 5 ) g ； ( 3 ) 传动刚度的提高提高了传动精度和定位精度，不存在中间环节的磨损问 题，维护简单，提高了可靠性； ( 4 ) 直线电机的进给长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工 作台2 4 】。 可见，在传统进给机构中一直矛盾的高速度与高精度问题，在直线电机伺服 运动中得到了较好的统一。但是，任何事物也不可能尽善尽美，直线电机在使用 和控制过程中也碰到了许多问题，尚待解决： ( 1 ) 机电系统中的摩擦是一种普遍存在的非线性饱和现象，也是一种非常复 杂的动力学效应，其特点是非线性、不连续、依赖于速度和输入频率等等。在直 线电机进给系统的高精度伺服控制中，当动子带动工作台与定子作机械运动时， 摩擦力是直线伺服系统中必然存在的【5 i 。摩擦在高精度位置控制和低速控制中起 着非常重要的作用，它一直是高精度直线伺服系统提高精度的主要障碍之- - 6 1 。 虽然不少学者在这方面进行了深入的研究，但由于摩擦现象难以用严格的数学手 浙江工业大学硕上学位论文 段进行分析处理，对摩擦非线性进行有效的补偿控制依然是直线伺服系统控制中 的一个棘手问题。 ( 2 ) 在控制过程中，直线电机与旋转电机的一个重要差异是，直线伺服系统 中要考虑直线电机的端部效应1 7 。9 】。按直线电机的纵向和横向之分，可以分为纵 向端部效应和横向端部效应。其中，纵向端部效应会增加附加损耗，减小推力减 少直线电机的有效输出，还会造成脉动磁动势，影响控制效果；而横向端部效应 会使直线电机的平均气隙密度降低，电动机的输出功率减小，从而影响直线电机 的性能及控制指标。 ( 3 ) 由于与传统的“旋转伺服电机+ 滚珠丝杠”的进给方式不同，直线伺服 系统进给单元中没有任何中问传动环节，不能采用所渭的半闭环控制，只能采用 全闭环控制【l 叭。这样，负荷的变化、直线电机的端部效应及其在运动中的变化， 对伺服系统来说都是现实存在的外界干扰，这些干扰没有任何缓冲或减弱( 不像 有传动环节那样，干扰折算到电动机上就减弱了很多了，中间传动环节的弹性变 形在一定范围内可以起到吸收和抑制干扰的作用) ，就直接作用到直线伺服电机 上，如果自动调节不好，就可能降低系统的性能指标甚至造成不稳定【l ”。因此， 要求其位置和速度检测装置具有很高的分辨率和动态响应能力，希望系统能在线 设计出具有较强鲁棒性的控制器，以尽快消除内部参数摄动和外界扰动的影响。 ( 4 ) 如果想进一步提高控制精度，达到高精度的直线伺服电机系统，还需考 虑一些更细微因素对系统性能的影响【8 】，诸如系统的非线性、耦合性、动子的质 量和粘滞摩擦系数以及电阻电感的变化、负载扰动、噪声检测、永磁体充磁的不 均匀性、电源的波动、动子磁链分布的非正弦性、动子槽内磁阻的变化、环境温 度和湿度的变化、电流时滞谐波、摩擦的非线性、低速爬行、端部效应引起的推 力变化等等，这些都将使直线伺服系统的性能变坏。 交流伺服系统本身就是一个有较强非线性、耦合型及时变性的复杂系统，加 之系统运行时还会受到不同程度的干扰，控制难度是比较大的。对于直线电机伺 服系统来说，由于是零传动，系统的参数摄动、负载扰动等不确定因素的影响将 直接反映到直线电机的运动控制中，而没有任何中间的缓冲过程，因而更是导致 了控制难度的增加。如上所述存在的种种问题，对直线电机伺服系统的控制过程 提出了更高的要求。 浙江t 业大学硕士学位论文 1 2 直线电机的基本原理及分类 直线电机是近年来得到飞速发展的一种新型电机，它是一种可以将电能直接 转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的电磁传动装置。这种可 以直接产生直线运动的电磁装置，可以看成是从旋转电机演化而来的。设想将旋 转电机沿径向剖开，然后将电机沿着圆周展开成直线，就得到了直线电机 1 2 - 1 5 】。 如图1 1 所示。旋转电机的径向、周向和轴向，在直线电机中对应的称为法向、 纵向和横向；由旋转电机的定子演变而来一侧称为初级，而由转子演变而来的一 侧称为次级。 图1 1 直线电机结构1 次级2 初级3 行波磁场 直线电机工作原理与旋转电机相似，也是利用电磁作用将电能转换成机械 能，只是在其气隙中产生的磁场不是旋转的，而是在直线方向呈正弦分布的、平 移的，被称为行波磁场【”。以直线感应电机为例，当初级绕组通过交流电源时， 便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，生成感应电动势并产生电流， 该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力 的作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。其他类型直线电机的工作原理 可由同类型旋转电机类推【1 6 1 。 跟旋转电机相对应，直线电机按机种分可以分为直线异步( 感应) 电机，直 线同步电机，直线直流电机和其他类型的直线电机( 如直线步进电机，直线振荡 电机，直线超声波电机，直线开关磁阻电机等) ；直线电机按结构分类可以分为 平板型、管型、弧形和盘型，各种类型的直线电机适用于不同的应用领域【8 1 。其 中永磁式交流同步直线伺服电动机( l i n e a rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ， 简称为l p m s m ) ，具有推力强，损耗低，时间常数小，响应快等特点，能够直接 产生连续单项或往复短行程直线机械运动，非常适合于代替传统的“旋转伺服电 浙江工业大学硕上学位论文 机+ 滚珠丝杠”直线进给传动模式，广泛应用于现代数控加工技术中。本文的 控制策略研究即基于永磁同步直线电机展丌的。 1 3 永磁同步直线电机控制策略综述 为了实现高精度高速度的控制结果，我们需要寻求有效的控制策略。但是考 虑到永磁同步直线电机伺服系统是一种具有高度快速性的动态系统，不可能在几 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，发展高性能的直线 电机伺服系统已成为国内外众多学者的共识，近年来也在此问题上做出了许多的 努力，有不少先进的控制策略在永磁同步直线电机伺服控制领域得到了成功的应 用1 1 7 - 2 0 ，大致归纳如下： 1 3 1 经典控制策略 经典控制策略中的代表非p i d 控制莫属了，它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。艾武利用d s p 实现了对直线电机的p i d 控制【2 ”。p r i t s c h o w 在直线电机进给系统中采用了p 型位置控制器和p i 型速度控 制器【2 2 1 。但是，p i d 控制对被控对象模型参数的变化较为敏感，鲁棒性不够满意， 此外，p i d 控制的整定比较费时，由于参数问的相互影响，往往难以收到最优的 效果 2 3 1 。目前，p i d 控制更多的是与其他控制策略相结合，形成了带有智能的新 型复合控制阱2 5 】。如付予义将p i d 控制与模糊逻辑控制的相结合，实现了对p i d 参数的自校正，使直线电机伺服系统的鲁棒性得到增强，获得较好的控制效果 1 2 4 1 。 除了p i d 控制算法外，例如解耦控制、s m i t h 预估器等经典控制方法，在直 线电机伺服系统中也得到了较好的应用：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 4 塑坚些查堂堡! 竺些堡兰 一 在设计控制器时就不必考虑对象的时滞影响，对解决直线电机伺服系统中逆变器 电力传输延时和速度测量滞后所造成的速度反馈滞后影响是很有效的弘州。 1 3 2 现代控制策略 经典控制策略在对象模型确定、不变化且为线性，操作条件、运行环境相 对确定不变的情况下是简单有效的，但在直线电机伺服系统的高精度高性能场 合，就必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，考虑采用各种现代控制策略的应用。目前， 如自适应控制、鲁棒控制、预见控制、滑模变结构控制等现代控制理论的分支， 开始被广泛应用于直线伺服系统的控制器设计。 ( 1 ) 自适应控制 自适应是一种将反馈控制与辨识理论相结合，通过寻求某些性能指标最优来 完成对被控对象整体调节的基于现代控制理论中状态空间理论的控制方法，目前 比较成熟的有模型参考自适应与自校正控制两种。模型参考自适应控制系统不需 要控制对象的精确数学模型，也无须进行参数辨识。它的关键问题是设计自适应 参数调整律，在保证系统稳定性的同时使误差信号趋予零，主要优点是容易实现 和自适应速度快。因而，在直线电机伺服系统控制中得到了成功的应用，可以有 效的克服直线电机模型参数的缓慢变化所引起的影响，但对于高频的外部干扰则 效果不佳【2 7 1 。后来，很多学者将自适应控制与其他控制方法相结合，以解决单 纯自适应控制的不足，得到了一定的效果脚】。 ( 2 ) 鲁棒控制 鲁棒控制的研究始于1 9 7 6 年，是针对模型的不确定性问题提出的。其研究 重点是讨论控制系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度( 或对 扰动不敏感的程度) 。经过2 0 多年的研究和发展，鲁棒控制理论取得了十分丰富 的结果，如内模控制理论、鲁棒调节器、稳定化控制器的y o u l a 参数化、棱边定 理、日。控制理论，结构奇异值理论方法，同时镇定理论和基于李雅普诺夫稳定 性理论的系统鲁棒性分析和综合方法等。其中日。控制作为鲁棒控制中较为成熟 的方法，实质上是通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的h 。范数取极小化 或小于某一给定值来设计控制器，对抑制扰动具有良好的效果。很多学者在日。控 制理论在直线电机伺服系统中的应用做了大量的研究和尝试，得到了不少成果。 塑要三些查兰堡兰垡堡兰 文【2 9 3 2 】中将鲁棒f 乙控制律应用于具有时变不确定性的直线伺服系统控制 中。该方法在结构上采用状态反馈多环形式，通过反馈补偿，解决负载扰动的影 响，在控制策略上，采用鲁棒日。控制代替标准日。控制，既保证系统对参数不 确定性的鲁棒性，同时对于不确定性外部扰动信号具有良好的抑制作用。这样， 就将时变参数不确定系统的鲁棒k 控制问题，转化成一个等价的、不包含任何 参数不确定性的线性时不变系统的标准日。控制问题。 o ) 预见控制 预见控制是指对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况完全知道 的情况下，使目标值与被控量的偏差整体达到最小。预见控制伺服系统是在普通 伺服系统的基础上附加了使用未来信息的前馈补偿后构成的，它能极大地减小目 标值与被控量地相位延迟，也就是说，被控量能没有延迟地跟踪目标值【3 3 1 。郭 庆鼎成功地将预见前馈补偿应用于直线电机伺服控制系统中【3 引。 ( 4 ) 滑模变结构控制 变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续 性。由于滑动模块可以进行设计，且与控制对象的参数及扰动无关，这就使得滑 模变结构控制具有快速响应、对参数及扰动变化不敏感、无需在线辨识与设计等 优点，因而在伺服系统中得到了成功的应用，但是同时，抖振问题成了滑模变结 构控制广泛应用的一个主要困难”】。在过去的1 0 多年里，将滑模变结构控制应 用与交流伺服控制系统一直是国内外学者的研究热点，并且已取得了一些有效的 成果 3 6 - 4 1 】。赵金等采用一种串联的滑模变结构控制器设计交流伺服系统，内外环 均采用滑模变结构控制策略，系统具有很好的鲁棒性能，但控制作用中存在较大 的抖振【3 6 l 。孙宜标等提出了一种基于滑模变结构的直线电机速度环控制方案， 并利用负载转矩观测器来减小抖振，达到了较好的鲁棒控制效果，但扰动观测器 的带宽影响了系统伺服性能的提高 3 9 1 。文献将模糊自学习与滑模变结构控制有 机结合以减小抖振，试图寻找一条滑模变结构控制与其它智能控制相结合的道 路，但模糊自学习的方法难以保证系统的稳定性m o l 。文献通过扩展滑模观测器 来实现对所需要的动子速度、加速度和负载扰动的鲁棒观测，并利用李雅普诺夫 理论对反馈线性化和滑模观测器构成的非线性闭环系统的稳定性加以了证明 【4 1 1 6 渐江工业火学硕上学位论文 1 3 3 智能控制策略 智能控制是自动控制学科发展里程碑上的一个崭新阶段，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，它所研究的土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。具有非线性特性，所以智能控制方法更适用控制对象、环境和任务复杂的 系统。目前，智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的当数模糊控制和神经网 络控制m “】。 自1 9 6 5 年美国学者z a d e h 提出了模糊数学以后，模糊控制策略得到了广泛 的应用。模糊控制是模仿人的思维方式来进行的，它是根据工程技术人员的实际 工作经验，运用模糊逻辑推理，并且借助于计算机来实现的一种控制方法。模糊 控制器具有一定的优点：不依赖于被控对象的数学模型，适用范围比较广：模糊 控制器对非线性及时变负载具有一定的鲁棒性；此外，模糊控制器专用芯片已商 品化，实时性好。因此，在直线伺服控制领域，模糊控制取得了一定的效果 4 ”。 如叶云岳针对直线电机这种复杂的非线性系统的或变负载的应用场合，将模糊控 制与p i d 控制进行了比较，显示了在此类系统的控制方案中采用模糊控制的优 势m j 。可尽管模糊控制策略提高了智能性，但是单纯地采用模糊控制策略需要 较多的控制规则，需要工作人员的大量经验，控制精度相对较低，因此，目前在 真线伺服控制系统中，更多的模糊控制应用是与其它控制策略的复合，如自适应 模糊控制、混合模糊控制、神经模糊控制等技术的充分运用。刘会凌等人结合了 传统p i d 控制和模糊逻辑推理各自的优势，在直线伺服系统的控制中，提出了 基于模糊推理的自校fp i d 控制器，结果证明能很好的适应系统及环境的变化， 从而满足工业过程中对伺服电机的要求【4 7 】。郭庆鼎等人在设计模糊控制器时， 利用遗传算法进行离线优化设计，得到最优的参数，从仿真结果可以看出，经过 参数优化的模糊控制系统具有良好的稳定性和鲁棒性。 神经网络具有信息分布存储、并行处理、非线性逼近及自学习等优点，所以 在直线伺服控制领域显示了广阔的应用前景。目前，已经有许多学者从以下几方 面进行了深入的研究：与传统的p i d 控制结合1 2 s 1 ：将神经网络用于电机参数的 在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整“9 】：结合模型参考自 适应控制，将神经网络控制器用作自适应速度控制器 ”i ；与小波技术相结合， 适应控制，将神经网络控制器用作自适应速度控制器m i ；与小波技术相结合， 浙江工业大学颁十学位论文 采用鲁棒小波神经元控制，克服了单纯采用神经网络学习速度较慢的缺陷【5 2 】。 但神经网络的发展并不完善，应用于控制系统时，在稳定性、能控性、能观性、 自学习速率等研究方面还存在许多问题。此外，人工神经网络的设计方法还需进 一步改进。 除了模糊逻辑控制和神经网络控制外，另一种智能控制方法基于专家系 统的智能控制引起了学者的兴趣，尝试着将它应用到交流伺服系统中去f 5 3 】。将 智能控制用于直线伺服系统的研究虽然已经历了一段时间，但目前仍处于开创性 研究阶段，待研究的问题还较多。 1 3 4 震望 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，也提出了许多具有建设性的新思 路，并取得了一些具有实用性意义的成果。但随着被控对象的不断复杂化及控制 要求的不断提高，采用单一的控制策略已难以满足被控对象的控制要求。因此， 关于直线电机伺服系统的控制策略还有许多亟待解决的问题，主要的看，有这么 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，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。将两者有效地相结合， 并实际应用到直线伺服系统的控制领域，值得进一步研究。 ( 2 ) 近年来，智能控制方法一直是控制学者研究的热点。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，寻求新的控制思路，寻求新的突 破。 ( 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坚定的物质基础，这一趋势更 为明显了。 直线电机以其独特的优越性，将在交通、高精度机床加工等许多领域得到广 泛应用，迟早代替原有的传统驱动模式。同时，这个过程缺不了相应的优秀的控 制策略加以支持。控制策略并不是唯一的，不同的环境不同的条件选择不同的控 8 浙江t 业大学硕上学位论文 制策略：控制策略也不是越先进越好，根据控制对象需要达到的要求，根据现实 控制设备的实现的简易，选择一种最有效的控制策略。归纳起来，我们的目的是 期望寻求一种“简单、有效、经济”的控制策略。 1 4 本文的研究内容 现代高速数控加工技术，对制造产业产生了巨大的影响，被认为是2 l 世纪 最有发展潜力的几大先进制造技术之一。而以电磁原理工作的直线伺服电机( 尤 其是永磁同步直线电机) 取代传统的“旋转伺服电机+ 滚珠丝杠”的伺服进给机 构，成为现代高速数控加工设备的新一代直接驱动执行元件。数控设备采用直线 电机驱动后，机械结构得到了简化，但却增加了电气控制上的难度，这种“转嫁” 在目前的技术水平下来看是合理的，用软件和微电予器件取代精度要求高而又笨 重的机械部件来获得更高性能是值得的。对于高速高精度控制，我们必须考虑更 多的参数摄动及外界干扰等不确定因素对伺服运动的影响，寻求更有效的控制策 略。从目前来看，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， 人们提出了各种控制方案，解决了一些问题，但同时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 能兼顾系统的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 有很高科研价值和实用价值。 作者以永磁同步直线电机作为研究对象，在导师的悉心指导下，在认真学习 和总结现有国内外研究成果的基础上，针对当前直线电机高性能伺服控制技术研 究现状，提出了用滑模交结构控制方法去控制永磁同步直线电机，又考虑到滑模 变结构控制方法固有缺陷“抖振”问题，提出结合神经网络方法来优化滑模 变结构控制。论文的结构安排如下： 第章为绪论。简要的介绍了直线电机的基本原理和分类，较全面的归纳了 永磁同步直线伺服系统的控制策略研究现状。 第二章讨论了永磁同步直线电机的d - q 轴数学模型，并且在s i m u l i n k 环 境下，给出了基于该数学模型的通用仿真平台，为后续的算法仿真研究奠定了真 实的仿真平台。 第三章引入了滑模变结构控制方法，并针对永磁同步直线电机设计了一个滑 9 浙江工业大学硕上学位论文 模输入速度控制器，并给出了仿真结果。 第四章针对滑模变结构控制的“抖振”问题，提出了一种用神经网络方法来 对扰动进行抑止补偿的双自由度控制方法，并进行了仿真研究。 第五章设计了一个由普通线性龙贝格观测器与神经网络观测器相并联而成 的智能观测器来对系统参数摄动与外在扰动进行补偿，从而削弱滑模变结构控制 的“抖振”，并进行了仿真研究。 第六章不同与前几章的永磁同步直线电机速度环控制器设计，设计了一个基 于滑模变结构控制的位置跟踪控制器，并用r b f 函数神经网络来补偿扰动，从 而削弱滑模变结构控制的“抖振”，并进行了仿真研究。 第七章是总结和展望，为全文所作的研究进行了概括性的总结，提出了有待 进一步研究和解决的问题。 l o 浙江工业大学硕土学位论文 第二章数学模型及通用仿真平台 现代交流电机伺服系统的结构复杂程度不断增加，给分析、研究和设计带来 了很大的难度。对于每种新型伺服控制方案，调整或选择控制器参数通常有以下 两种方法”4 】：一种是实物仿真，即通过对实际伺服系统进行反复运行和调整， 直至达到满意为止；另一种是计算机仿真，即在伺服系统的数学模型的基础上， 利用计算机对伺服系统的控制方案进行数值仿真从而确定合适的控制器参数。 实物仿真不仅会加速系统机械部件的磨损，而且当控制器参数选择不合适时，可 能造成系统的振荡和不稳定，带来重大损失。因此，目前更多的是将上述两种方 法相结合，即首先对所设计的伺服系统进行计算机数值仿真，在获得性能优良的 控制器参数后，再进行实物仿真，对系统的实际性能加以验证胪5 1 。由此可见。 计算机仿真大大增加了整个设计过程的柔性，不仅可大大缩短开发和研制的周 期，而且可节约开发和研制费，已成为分析、研究、设计自动控制系统的一个不 可缺少的重要手段。 本章将综合运用电机控制理论、动力学建模技术及计算机仿真技术，在对永 磁同步直线电机( l p m s m ) 的工作原理及矢量控制原理进行分析研究的基础上， 建立起适于m a t l a b 仿真用的电流滞环跟踪型s p w m 矢量控制的永磁同步直线电 机的通用仿真模型，为研制出高性能的永磁同步直线电机伺服驱动器及寻求高性 能的速度环、位置环控制器奠定坚实的基础。 2 。1 永磁同步直线电机理论 2 1 1 l p 蹦的工作原理 永磁同步直线电机( l p m s m ) 是在定子( 即次级) 上，沿全行程方向的一条 直线上，块接一块交替地安装n 、s 极永磁体( 永磁材料常用的有n d f e b 钕铁 硼) ，如图2 1 所示。而动子 2 。p i ，3 ) + u 。) -m 啦t f o n l - 叫幔咿。l p 2 p l 聊+ 1 6 玎呐域l 螗日f p i i + u q ) 卜+ f o r t 2 图2 82 3 坐标变换子模块 2 3 基于m a t l a b s i m u li n k 的l p m s i i 速度环仿真 2 3 1 仿真框圈 由永磁同步直线电机模型( 式2 1 一式2 4 ) ，可以利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真环 境方便地建立起永磁同步直线电机的速度环仿真模型，如图2 9 所示，其中力矩 环采用电流滞环跟踪型s p w m 矢量控制，速度环采用常规p i d 控制。 2 3 2 仿真参数 为对前文所述方案的有效性进行仿真研究，采用的永磁同步直线电机的参数 如下所示：动子电枢d 轴、q 轴电感l 。= l 。= 1 8 7 4 m h ；动子电枢电阻r = 1 2 q ： 动子质量m = 2 5 培；粘滞摩擦系数b = 0 2 n s m ；极距f = 3 6 m m ；永磁体磁 链妒= o 2 8 6 i j b ：目标速度给定值v = l m s 【8 】。p i d 参数设置，艘：8 0 ，盯：6 0 。 图2 9 永磁同步直线电机速度环系统框图 浙江t 业大学硕十学位论文 2 3 3 仿真结果 当给定单位速度阶跃输入时，采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境不仅构建 仿真平台方便，而且对于我们感兴趣的仿真结果可以很方便地用示波器图形化地 表示出来，下面给出了永磁同步直线电机在带恒定值负载( 负载e = 8 0 n ) 情况下 的速度环的阶跃响应结果，如图2 1 0 一2 1 4 所示，从中不仅可以观察到速度的响 应，而且可观察到电机的电流及推力的输出波形。因此，建立了电流滞环跟踪型 s p w m 矢量控制的永磁同步直线电机通用仿真模型，我们就不仅可以很方便地 进行永磁同步直线电机速度环及位置环的伺服控制研究，而且可以用于永磁同步 直线电机的伺服驱动器的研制。 图2 1 0 定子相电流 图2 1 1 动子电枢d - q 轴电流 图2 1 2 电机输出推力 1 8 | 7 7 一 ， p 7 l 圈2 1 3 线位移 浙江工业大学硕j 二学位论文 ， * 。_| 广 _ 图2 1 4 速度阶跃响应 1 9 浙江1 = 业大学硕j 1 学位论文 第三章滑模变结构控制器设计 变结构控制( v a r i a b l es m l c t u r ec o n t r o l ，简称为v s c ) 是前苏联学者 e m e l y a n o v 、u t k i n 和i t k i n 在2 0 世纪6 0 年代初提出的种设计方法。当初研究 的主要是二阶和单输入高阶系统，并用相平面法来分析系统特性。进入7 0 年代 以后，则开始研究状态空间线性系统，使得变结构控制系统设计思想得到了不断 的丰富，也提出了多种变结构设计方法。但是这其中只有带滑动模态的变结构控 带l j ( s l i d i n gm o d e lc o n t r o l ，简称为s m c ) 被认为是最有发展前途的，它已形成了一 套比较完整的理论体系，并已广泛地应用于各种工业控制对象之中。滑模控制系 统的最大特点就是系统具有极强的鲁棒性，即对被控对象的模型误差、对象参数 的变化以及外部干扰具有极佳的不敏感性。现在，滑模控制理论作为一种处理非 线性系统的有效工具，在工程界得到广泛深入的研究，并不断地取得新的理论和 应用上的成果 6 2 】。本章针对永磁同步直线伺服系统，设计了一个滑模变结构速 度控制器，并给出了仿真结果。 3 1 滑模控制理论 3 1 1 滑模控制的基本原理 滑模控制系统的基本结构如图3 1 所示，其基本思想在于：为控制系统预先 在状态空间中设计一个特殊的超平面，利用不连续的控制规律，不断地变换系统 h z ： i 蕊p 、。 犍鬻 、 = 0 图3 1滑模控制系统的结构图 图3 2 滑模控制系统的相平面 浙江工业大学顾 ：学位论文 的结构，即在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，迫使 系统的状态沿着这个特定的超平面向平衡点滑动，最后渐进稳定于平衡点或平衡 点的某个允许的领域内，即滑动模态运动( 如图3 2 所示) 。由于滑模控制最大限 度地利用了每一结构的良好性能，并得到系统的新动作，因而全系统就整体而言 能获得优良的新性能【6 36 引。 3 1 2 滑模控制的三要素 滑模的数学描述，设有一个系统： j 多- ，刈猷”艇胪，f r ( 3 1 ) iy = ( x )y r ，”i r a l 确定一个切换函数矢量 s = s ( x ) s r ”( 3 2 ) 求解控制函数 驴协置s 1 揣0 s ， i “f【纠 式中，拼j ( x ) “i ( x ) 0 = 1 , 2 ，m ) ，使得： ( 1 ) 滑动模态存在； ( 2 ) 满足能达性条件； ( 3 ) 滑模运动的稳定性。 3 1 2 1 滑动模态的存在性条件 由滑动模态的概念可知，要在切换面s = 0 上产生“滑动模态”，则需使切 换面s = 0 上的点都必须是终止点。此时，当运动点r p 达到切换面附近时，必有： l i m 5 i d s s - - * 0 o ( 3 4 ) “ 式( 3 4 ) 即为滑动模态存在性条件。 3 1 2 2 滑模的能达性条件 如果系统的初始点x ( o ) 不在j = 0 的附近，而是在状态空间的任意位置，此 时要求系统的运动必须趋向于切换面s = 0 ，即必须满足能达性条件，否则系统 无法启动滑模运动。一般地，把式( 3 4 ) 的极限符号去掉，变成： s 冬o ( 3 5 ) 2 t 塑垩三些叁堂堡圭兰竺堡苎 此式表示状态空间的任意必将向切换面靠近( 或无限地靠近) 的趋势，称式( 3 5 ) “为广义滑模”运动。显然，系统满足广义滑模条件必然同时满足滑模存在性和 能达性条件。 3 1 2 3 滑模运动的稳定性条件 系统运动进入滑动模态区后，就开始滑模运动。在实际系统中，除滑模的存 在性和能达性外，还要求系统的滑动模态是渐近稳定的且具有良好的动态品质。 这一复杂而困难的问题可通过“等效控制”的方法加以分析。当系统处于滑模运 动时，d s d t = 0 ，则由式( 3 1 ) 得： ：o sf ( x ，“，r ) = 0( 3 6 ) o x 式( 3 6 ) 是一个代数方程，设”的解( 若存在) 为u 。= “+ ( x ) ，“。就是能够保证滑动 模态存在，即强迫系统沿切换面运动所需要的控制力，常称之为系统在滑模区的 “等效控制”。为了使系统在超平面j = 0 上的滑动模态运动具有渐进稳定性， 其充分必要条件是：系统在条件s = 0 及j = 0 下算出的等效控制甜。作为控制量“ 时的系统特征方程的所有根，除了c7 d ”之外，都具有负实部，c 为切换矩阵1 6 4 1 。 3 1 3 滑模控制的性质 ( 1 ) 模型降阶 在滑动模态下，系统运动被约束在某个子空间内，所以采用一个低阶微分方 程便可描述系统的行为。实际上，既然滑模轨线位于m 维超平面s ( x ) = 0 上，所 以子空间，为弹一m 维，因而滑模方程的阶次也为门一m ，比原系统降低了m 阶。 ( 2 ) 系统解耦 滑模控制系统中，滑动与控制无关，仅取决于对象的性质和切换函数，这就 把设计问题解耦为两个独立的低维子问题。在滑模变结构控制设计中，控制仅用 来使系统处于滑动模态，为一个小维的设计任务。所需中，上的运动特征，可通 过适当选择切换曲面方程来实现，这是一个r 一肌维的设计问题。 ( 3 ) 鲁棒性和不变性 滑模控制的最大优点是系统一旦进入滑模状态，系统状态的转移就不再受系 统原有参数变化和外部扰动的影响，对系统参数和外部扰动具有完全的或较强的 鲁棒性和不变性。因此它能同时兼顾动态精度和静态精度的要求。它的性能类似 于一个高增益控制系统，却无需过大的控制动作。滑模控制系统的鲁棒性和不变 浙江丁业大学硕士学位论文 性已成为滑模控制得到普遍重视和应用的一个重要特征